第一次量子革命带来了半导体电子技术，激光技术以及互联网。即将来临的第二次量子革命有望实现防间谍通信，极其精确的量子传感器和量子计算机，以解决以前无法解决的计算任务。但是这场革命仍处于起步阶段。一个主要的研究对象是本地量子设备和光量子之间的接口，该接口可以实现高度敏感的量子信息的远程传输。

位于Garching的Max-Planck量子光学研究所的Otto-Hahn小组“量子网络”正在研究这种“量子调制解调器”。该团队现已在相对简单但高效的技术上取得了第一个突破，该技术可以集成到现有的光纤网络中。

这项工作本周发表在《物理评论X》（“低温高Q谐振器中Er掺杂的相干和赛尔增强发射”）中。

Garching量子调制解调器：带有atoms原子量子位（箭头）的晶体盘位于中间，来回反射的红外光由红色盘指示。图片：克里斯托弗·霍曼（MCQST）

新冠肺炎大流行每天都在提醒人们互联网已变得多么重要。曾经是基础物理研究的万维网已从根本上改变了我们的文化。量子互联网能否成为物理学的下一个重大创新？

回答这个问题还为时过早，但是基础研究已经在量子互联网上开展。与视频会议相比，许多应用程序将更加专业化，并且不那么性感，但是每个人都可以理解绝对防间谍的远程通信的重要性。“将来，量子互联网可以用来连接位于不同地方的量子计算机，” Andreas Reiserer说，“这将大大提高其计算能力！” 物理学家领导了位于Garching的Max-Planck量子光学研究所的独立的Otto-Hahn研究小组“ Quantum Networks”。

因此，量子互联网本质上是关于新技术的全球联网，这些新技术比以往任何时候都更加广泛地使用量子物理学。但是，这需要用于极其敏感的量子信息的合适接口。这是一项巨大的技术挑战，这就是为什么此类界面成为基础研究的中心焦点的原因。他们必须确保固定的量子位（即短量子位）与“飞行”量子位有效地进行长距离通信，而不会破坏量子信息。固定量子位将位于本地设备中，例如作为量子计算机的内存或处理器。飞行量子位通常是光量子，即光子，它们通过空中，空间真空或光纤网络传输量子信息。

 量子位之间的微妙连接

“量子调制解调器”旨在有效地建立飞行和固定量子位之间的连接。为此，博士生本杰明·默克尔（Benjamin Merkel）的团队开发了一项新技术，并且刚刚展示了其基本功能。它的关键优势是可以将其集成到现有的电信光纤网络中。这将是推进功能性量子技术长距离联网的最快方法。

为了使该系统工作，调制解调器作为量子信息载体发送或接收的光子必须与用于电信的激光的红外波长精确匹配。这意味着调制解调器必须具有静止的量子位，这些量子位可以以量子跃迁的方式对这些红外光子进行精确反应。只有这样，敏感的量子信息才能在静止的量子位和飞行的量子位之间直接传输。

Garching小组的广泛研究表明，元素最适合此目的。它的电子可以执行完美匹配的量子跃迁。不幸的是，原子非常不愿意进行这种量子跃迁。因此，必须将它们固定在迫使它们做出更快反应的环境中。为了解决该问题，将atoms原子和红外光子尽可能长地锁定在合适的空间中。Reiserer解释说：“您可以将其视为聚会，这应该激发十个客人之间的最佳交流。” 这里的空间大小至关重要。这位物理学家继续说：“在足球场里，客人会迷路，而电话亭又太小，”但客厅就可以了。

但是，聚会很快就结束了，因为光子以光速行进，因此极易挥发，总是想离开。这就是为什么Garching量子调制解调器使用微型镜柜作为“起居室”的原因，研究小组将这些原子包装到了由硅酸钇化合物制成的透明晶体中，该晶体比人的头发还要细五倍。反过来，这种水晶就像三明治一样被放置在两个几乎完美的镜子之间。为了消除原子的热波动，这对量子信息是有害的，将整个整体冷却到负271°C。

大约在图片的中央，从外面可以看到“镜柜”，它在飞行和静止的量子位之间建立了联系。图片：MCQST）

 镜柜中的光子乒乓

反射镜之间捕获的光子通过水晶像乒乓球一样来回反射。它们经常通过原子，以使原子有足够的时间与量子跃迁发生反应。与没有镜柜的情况相比，这种情况发生的效率更高，速度快了近六十倍。这些反射镜尽管非常完善，但也可以让光子略微渗透，因此调制解调器可以连接到网络。

“我们对这项成功感到非常高兴，” Reiserer说。下一步，他希望改进实验，以便可以通过激光将单个原子寻址为量子位。这不仅是迈向可用量子调制解调器的重要一步。晶体中作为量子位的原子甚至可以直接用作量子处理器，这是量子计算机的核心部分。这将使调制解调器易于与此类量子终端兼容。

通过这种优雅的解决方案，相对简单构造的“量子中继器”也将成为可能。每百公里，这些设备将必须补偿光子在光纤网络中传输的量子信息的不断增加的损失。这种“量子中继器”也是国际研究的重点。Reiserer说：“尽管基于我们的技术的这种设备的价格约为十万欧元，但广泛使用并不是不现实的。”

Garching量子调制解调器仍纯粹是基础研究。但是它有可能促进量子互联网的技术实现。