华沙大学物理系的研究人员开发了一种新的高效技术，使量子信息传输速度提高了数十倍。这项研究结果发表在著名的《自然光子学》杂志上，可能在不久的将来有助于超高速量子互联网连接的发展。
光是信息的主要载体。它通过光纤通信网络实现了全球范围内的高速数据传输。这种信息携带能力可以扩展到通过在单个光粒子(即光子)中编码来传输量子信息。华沙大学物理系量子光子学实验室的负责人、发表在《自然光子学》上的论文的作者之一Michał Karpiński博士解释说:“为了有效地将单个光子加载到量子信息处理设备中，它们必须具有特定的特性:正确的中心波长或频率、合适的持续时间和正确的光谱。”
世界各地的研究人员正在使用各种技术构建量子计算机的原型，包括:捕获离子、量子点、超导电路和超冷原子云。这些量子信息处理平台在各种时间尺度上运行:从皮秒到纳秒甚至微秒。
时间透镜
为了将这些设备连接在一起以创建量子网络，需要一个接口来改变传输的量子光脉冲(即单光子)的特性。早在2016年，华沙大学的研究人员和国际合作者就已经在《自然光子学》上发表了这种转换器的原型。Michal Karpiński博士解释说:“在那里展示的设备允许单光子脉冲的持续时间变化六倍，效率超过30%。”他补充说，他的团队当时使用的技术——简单的电光调制——有技术限制，允许脉冲持续时间的最大10倍变化。“在我们的新出版物中，我们提出了一种转换器，它允许脉冲持续时间变化200倍，效率为25%。这意味着由此产生的量子互联网连接可以以高达50倍的速度运行，”Karpiński博士说。
华盛顿大学物理系的研究人员开发的这项新技术的关键要素是所谓的时间透镜。“经典的空间透镜，我们通常熟悉的那种，会改变光束的大小，要么聚焦，要么发散。例如，光可以通过凸透镜聚焦——透镜玻璃的厚度随着离中心距离的增加而减小。通过类似的原理，时间透镜可以缩短或延长光脉冲，但在这里，玻璃的有效光学厚度随时间而变化，而不是随空间变化，”负责开发该实验的量子光子学实验室的Filip Sośnicki解释说。
“要使用空间透镜聚焦宽光束，它必须足够大。但这将使镜片高度凸出，大大增加了制造它所需的玻璃的数量，从而增加了重量。为了避免这种情况，我们可以使用菲涅耳透镜，其特殊形状将这种透镜的厚度减少到几毫米或更少，”Sośnicki博士解释说。由于其厚度小得多，菲涅耳透镜用于各种应用，包括汽车前灯，灯塔，铁路信号，甚至智能手机相机。Sośnicki博士接着指出:“在我们的研究中，我们开发了一种与这种透镜等效的时间透镜，我们称之为菲涅耳时间透镜。”
效果强，不破坏镜头
为了制造时间透镜，研究人员利用了一些晶体所表现出的电光效应。它允许晶体(在这种情况下，铌酸锂)的折射率改变，这取决于施加在它上的外部电场的变化。利用快速电信号，可以实现晶体的时变光学厚度，从而实现时间透镜。“这种效应有其局限性，因为过高的电场会破坏晶体。在我们开发的技术中，我们分阶段增加折射率，类似于空间菲涅耳透镜。通过这种方式，我们在不破坏透镜的情况下获得了强烈的效果，这反过来又允许对量子光脉冲进行更广泛的修改，”Karpiński博士解释说。这种“分阶段”操作需要使用超快微波电子设备。“相比之下，高速Wi-Fi或5G网络在约3至5 GHz的频段上运行，而我们的信号速度要快7倍以上，频率高达35 GHz，”Sośnicki博士补充道。
在进一步的研究中，华盛顿大学物理系的科学家将测试不同类型的量子信息处理平台之间的接口，并增加光子传输距离。“到目前为止，我们一直在一个实验室的设备之间传输单光子。接下来，我们将尝试在不同的建筑甚至城市之间进行这种转移，”Michal Karpiński博士补充道。
Michal Karpiński博士团队的工作是创建量子网络的重要一步——无论是可以在单个量子计算机中使用的小型量子网络，还是可以在世界不同地区的量子计算机之间传输量子信息的大型量子网络，从而产生量子互联网。
该项目部分是在 First TEAM 计划（编号 POIR.04.04.00-00-5E00/18）和基金会的归巢计划（编号 POIR.04 .04.00-00-1E2B/16）下进行的Polish Science 在智能发展运营计划的框架内与来自欧洲区域发展基金的欧盟资金共同资助，部分原因是 QuantERA QuICHE 研究项目（编号 2019/32/Z/ST2/00018）和Preludium项目（编号2019/35/N/ST2/04434），由国家科学中心资助。
华沙大学的物理学和天文学成立于1816年，是当时哲学系的一部分。1825年，天文台建立了。目前，华沙大学物理系由下列研究所组成:实验物理、理论物理、地球物理、数学方法系和天文台。这项研究几乎涵盖了现代物理学的所有领域，从量子到宇宙学。学院的研究和教学人员由200多名学术教师组成，其中88人是教授。华沙大学物理系有大约1100名学生和170多名博士生。
