引言 量子互联网的梦想与挑战

想象一下未来的量子互联网：分布在全球的量子计算机通过光纤传递信息，共同解决药物设计、密码破译等难题。但这个宏伟蓝图面临一个根本性障碍——量子计算机的“语言”不兼容。目前最先进的超导量子芯片使用微波光子运算，而光纤网络依赖光通信波段（如红外光）。要让这些“说不同语言”的设备对话，需要一种特殊的“翻译官”：微波-光量子转换器。

传统转换器就像笨拙的翻译，要么效率低下（每百万个微波光子才能转出一个光学光子），要么需要复杂的“扩音器”（高品质因子谐振腔）。2025年4月，加州理工学院应用物理实验室Andrei Faraon团队在《自然·物理》刊登的一项突破性研究，展示了一种基于稀土离子掺杂晶体的新型转换器，不仅效率高达1%，噪声极低，还能让多个转换器“合唱”，为量子互联网铺平了道路。

第一章 传统方法的困境：量子翻译的“卡脖子”难题

1.为什么需要转换器？

超导量子芯片在接近绝对零度的环境中工作，通过微波光子传递量子态。但微波在常温下会被强烈吸收，无法长距离传输。而光纤网络使用的近红外光可以在常温下传播数百公里。转换器的任务就是将脆弱的微波量子态转化成光信号，通过光纤传输，再转换回微波信号。

2.传统技术的天花板

此前主流方案于依赖非线性光学材料（如铌酸锂），但这些材料的“翻译能力”太弱，必须借助精密的光学谐振腔放大信号。就像用细水管接水，为了接到一杯水，不得不建造巨大的蓄水池（谐振腔）。这导致设备复杂、难以扩展，且不同转换器的“口音”（共振频率）常因制造误差不匹配，无法协同工作。

第二章 稀土离子的魔法：原子级精度的量子翻译

1.来自元素周期表的启示

研究团队将目光投向元素周期表底部的稀土家族。以镱-171（¹⁷¹Yb³⁺）为例，其电子能级结构异常“整洁”——原子核与电子的自旋相互作用形成超窄线宽（160 kHz）的微波跃迁，而光学跃迁线宽也仅92 MHz（图1）。这种特性让镱离子成为理想的“量子翻译员”。

图1 镱离子的三能级系统。微波光子（蓝色箭头）激发自旋跃迁，光泵浦（红色箭头）将能量转移到光学跃迁，最终发射光光子。

2.超强非线性效应：原子协同的奇迹

当万亿个镱离子整齐排列在钒酸钇（YVO₄）晶体中时，它们像训练有素的合唱团，对外界微波和光场产生协同响应。这种集体行为产生了等效二阶非线性效应，强度达到传统材料铌酸锂的4万倍！这意味着无需复杂谐振腔，单凭原子本身就能高效转换光子。

第三章 芯片上的量子翻译站：从理论到实践

1.器件设计：微波与光的握手

研究团队在500微米厚的镱掺杂晶体上制造了微型超导微波谐振器。微波通过交指电容输入，磁场集中在环形电感区域；光泵浦则聚焦在这个区域，利用晶体底部镀金层形成的弱法布里-珀罗腔收集转换后的光子（图2）。

图2 芯片结构示意图。微波通过交指电容（左）输入，光泵浦（红点）聚焦在环形电感中心，转换后的光子从镀金层反射输出。

2.脉冲操作的智慧：降低噪声的秘诀

持续工作（CW模式）时，光泵浦会加热系统产生噪声。团队改用脉冲操作：先用20微秒的光脉冲“唤醒”镱离子，再用2微秒的微波脉冲进行转换。这就像先打开翻译员的麦克风，等背景杂音消退后再传递重要信息。最终测得每个微波光子转换成功率0.76%，附加噪声仅1.24个等效输入光子，接近量子极限。

第四章 量子合唱团：多转换器协同奏鸣曲

1.频率匹配的先天优势

传统转换器像定制的乐器，每个谐振频率都有微小差异。而镱离子的跃迁频率由原子结构决定，不同芯片的“音高”天生一致。团队将两个转换器的输出光子干涉，观察到清晰的干涉条纹（图3），证明它们可以无缝协作。这种特性对量子网络至关重要——就像交响乐团需要所有提琴手调音一致。

图3 a）双转换器干涉实验配置。两个传感器同时运行，弱输入微波光子由Δφ移相，光学泵的频率由Δf = 50 kHz移相，b）两个转换器输出光子的干涉条纹。横轴为时间，纵轴为光子计数，振荡频率50 kHz来自光泵浦的微小频移。

2.光-微波-光的接力赛

更有趣的是，团队演示了“光→微波→光”的级联转换：第一个转换器将光转为微波，经超导传输线传递给第二个转换器再转回光。总效率符合理论预测，且频率漂移小于相位关联时间（359微秒）。这证明该技术可以串联使用，构建复杂量子网络（图4）。

图4 d）级联“光-微波”、“微波-光”转换实验装置，e）不同光学频率下“光-微波”、“微波-光”转化效率，f）输出与输入光之间的强度相干性。

第五章 未来展望：从实验室走向量子互联网

1.效率提升路线图

当前1%的效率已远超同类技术，但团队指出多条优化路径：

集成光学腔：虽然现有设计无需高精度腔，但加入中等品质腔可将效率提升至20%。

高浓度掺杂：增加镱离子密度，既能提高带宽，又能抑制噪声。

极化过滤：利用转换光子的特定偏振方向，进一步过滤杂散噪声。

2.量子记忆的潜力

实验中观察到了光子和自旋态的短暂存储（140-910纳秒）。通过延长相干时间，未来可能开发出自带存储功能的转换器，在传输间隙暂存量子态，这对量子中继至关重要。

终章 结语：打开量子互联网的大门

这项突破不仅是实验室的胜利，更是量子工程学的里程碑。当稀土离子的原子级精度遇上巧妙的器件设计，我们终于看到了可扩展、低噪声量子接口的曙光。或许不久的将来，基于这类技术的量子路由器将像今天的Wi-Fi一样普遍，让分布全球的量子计算机构建起比经典互联网更神奇的“量子神经网络”。

参考文献：

Xie, T., Fukumori, R., Li, J. & Faraon, A. Scalable microwave-to-optical transducers at the single-photon level with spins. Nat. Phys. (2025).

撰稿｜陈炎霖

指导｜刘玉龙