不列颠哥伦比亚大学的科学家研发出一种芯片级装置，可作为量子计算机的"通用翻译器"，能以极小损耗和噪声实现微波信号与光信号的相互转换。该创新技术不仅能双向运行，还完整保留了关键的量子纠缠特性，有望成为未来量子互联网的骨干。该装置通过利用硅基芯片中的工程缺陷并采用超导组件，在极低功耗下实现了近乎完美的信号转换，且整体结构集成至单片芯片。若实现应用，这项技术将彻底变革安全通信、导航系统乃至药物研发领域。
该技术可作为量子计算机的通用翻译器——使其能够在远距离上相互通信，并能转换高达95%的信号，且几乎无噪声。整个装置可集成在一块硅芯片上，这种材料与日常计算机中的芯片材料相同。
「这就像找到了一位几乎能将每个词都准确翻译、完整保留信息且不添加背景杂音的翻译器，」研究作者穆罕默德·哈利法表示。他在不列颠哥伦比亚大学应用科学学院和UBC Blusson量子物质研究所攻读博士学位期间进行了此项研究。
「最重要的是，该设备保留了远距离粒子之间的量子关联，并能实现双向操作。没有这种能力，你拥有的只是昂贵的独立计算机。有了它，你将获得真正的量子网络。」
工作原理
量子计算机使用微波信号处理信息。但为了在城市或大陆间传输信息，需将其转换为可在光纤中传输的光信号。这些信号极其脆弱，即使翻译过程中的微小干扰也可能将其破坏。
这对量子计算机依赖的纠缠现象是个难题——两个粒子无论相距多远都保持关联。爱因斯坦称之为「幽灵般的超距作用」。失去这种连接意味着丧失量子优势。这项发表于《npj Quantum Information》的UBC装置，有望在保持这些纠缠链路的同时实现长距离量子通信。
硅基解决方案
该团队的模型是一种可在硅晶圆上制造的微波-光光子转换器。其突破点在于微小的工程缺陷——人为植入硅中以控制其特性的磁性缺陷。当微波信号与光信号精确调谐时，这些缺陷中的电子可将一种信号转换为另一种信号而不吸收能量，从而避免了其他转换方法常见的不稳定性。
该装置在极低功率（仅百万分之一瓦特）下也能高效运行。作者概述了一种实用设计方案：将具有完美导电特性的超导元件与这种特殊设计的硅材料结合使用。
未来发展
尽管目前仍是理论成果，这标志着量子网络发展的重要一步。
「我们明天还不会拥有量子互联网——但这扫除了一个主要障碍，」研究资深作者约瑟夫·萨尔菲博士表示，他是电气与计算机工程系助理教授兼UBC Blusson QMI首席研究员。
「当前，在城市间可靠传输量子信息仍具挑战性。我们的方法可能改变现状：基于硅的转换器可利用现有芯片制造技术构建，并轻松集成至当今通信基础设施中。」
最终，量子网络将有望实现几乎无法破解的在线安全系统、适用于室内的GPS定位技术，并解决当今无法攻克的问题，例如设计新药物或以极高精度预测天气。