不列颠哥伦比亚大学科学家开发出一种芯片级量子"通用翻译器"，可将脆弱的微波信号与光学信号相互转化，同时保持极低损耗和噪声。该技术能双向保持关键量子纠缠特性，有望成为未来量子互联网的支柱。该器件通过在硅基材料中构建工程缺陷结构，结合超导元件实现近乎完美的信号转换，功耗极低且完全集成于单一芯片。若实现应用，将彻底变革安全通信、导航系统及药物研发领域。
该技术可作为量子计算机的通用翻译器——使其能够远距离相互通信，并将高达95%的信号进行转换，且几乎没有噪声。整个装置集成在一块硅芯片上，这正是日常计算机中使用的材料。
"这就像找到一个几乎能准确翻译每个词、保持信息完整且不添加背景杂音的翻译器，"研究作者穆罕默德·哈利法说，他在UBC应用科学学院和UBC布卢森量子物质研究所攻读博士学位期间进行了这项研究。
"最重要的是，该装置保持了远距离粒子之间的量子连接，并且双向有效。没有这一点，你拥有的只是昂贵的独立计算机。有了它，你将获得一个真正的量子网络。"
工作原理
量子计算机使用微波信号处理信息。但要将该信息在城市或大洲之间传输，需要将其转换为通过光纤电缆传输的光学信号。这些信号极其脆弱，即使在转换过程中出现微小干扰也可能将其破坏。
这对量子计算机所依赖的量子纠缠现象是个问题——即两个粒子无论相距多远都保持相互连接。爱因斯坦称之为"鬼魅般的超距作用"。失去这种连接意味着失去量子优势。UBC团队在《npj Quantum Information》期刊上描述的装置，可能实现长距离量子通信，同时保留这些纠缠链路。
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-光学光子转换器。突破点在于微小的工程化缺陷——即有意嵌入硅中以控制其特性的磁性缺陷。当微波和光学信号被精确调谐时，这些缺陷中的电子能将一种信号转换为另一种信号而不吸收能量，从而避免了困扰其他转换方法的不稳定性。
该装置还能在极低功率（仅为百万分之一瓦特）下高效运行。作者们概述了一种实用设计，结合这种特殊工程化的硅，使用超导元件——即具有完美导电性的材料。
下一步计划
虽然目前仍是理论成果，但这标志着量子网络领域迈出了重要一步。
"我们并非明天就能拥有量子互联网——但这清除了一个主要障碍，"该研究的资深作者约瑟夫·萨尔菲博士说，他是电气与计算机工程系助理教授，同时也是UBC布卢森QMI的首席研究员。
"目前，在城市间可靠地发送量子信息仍然具有挑战性。我们的方法可能改变这一点：硅基转换器可利用现有的芯片制造技术构建，并能轻松集成到当今的通信基础设施中。"
最终，量子网络可能实现几乎牢不可破的在线安全、可在室内工作的GPS，以及解决当今难以企及问题的能力，例如设计新药物或以显著提高的精度预测天气。