科学家们发现了一种在各种量子技术之间转换量子信息的方法，这对量子计算、通信和网络有着重大意义。这项研究发表在《自然》杂志上，得到了陆军研究办公室（ARO）、空军科学研究办公室（AFOSR）和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校领导的国家科学基金会混合量子架构和网络量子飞跃挑战研究所（HQAN）的资助。

这代表了一种将量子信息从量子计算机使用的格式转化为量子通信所需格式的创新方法。

一个铌超导空腔。孔洞通向隧道，隧道相交以捕获光和原子。

光子--光的粒子--对量子信息技术至关重要，但不同的技术以不同的频率使用它们。例如，一些最常见的量子计算技术是基于超导量子比特，如科技巨头Google和IBM使用的那些；这些量子比特将量子信息存储在以微波频率移动的光子中。

但是，如果你想建立一个量子网络，或连接量子计算机，你就不能四处发送微波光子，因为它们对量子信息的控制力太弱，无法在旅途中生存。

"我们用于经典通信的很多技术--手机、Wi-Fi、GPS以及诸如此类的东西--都使用微波频率的光，"芝加哥大学詹姆斯-弗兰克研究所的博士后、该论文的第一作者Aishwarya Kumar说。"但你不能这样做量子通信，因为你需要的量子信息是在一个单一的光子中。而在微波频率下，这种信息会被埋没在热噪声中。"

铷的电子能级示意图。其中两个能级间隙分别与光学光子和微波光子的频率相符。激光被用来迫使电子跳到更高的层次或降到更低的层次。

解决方案是将量子信息转移到更高频率的光子上，称为光学光子，它对环境噪声的抵抗力要强得多。但信息不能直接从光子转移到光子；相反，我们需要中间物质。一些实验为此目的设计了固态设备，但库马尔的实验瞄准了更基本的东西：原子。

原子中的电子只允许拥有某些特定的能量，称为能级。如果一个电子处于一个较低的能级，它可以被激发到一个较高的能级，方法是用一个能量正好与较高和较低能级之间的差异相匹配的光子击中它。同样地，当一个电子被迫降到一个较低的能级时，原子就会发射出一个能量与能级之间的能量差相匹配的光子。

铷原子恰好有两个空隙，库马尔的技术利用了这两个空隙：一个正好等于微波光子的能量，另一个正好等于光子的能量。通过使用激光使原子的电子能量上下移动，该技术允许原子吸收带有量子信息的微波光子，然后发射带有该量子信息的光学光子。这种不同模式的量子信息之间的转换被称为"转导"。

有效地将原子用于这一目的是由于科学家们在操纵这种小物体方面取得的重大进展而成为可能。库马尔说："在过去的20或30年里，我们作为一个群体已经建立了卓越的技术，使我们能够控制关于原子的一切，所以实验是非常可控和有效的。"

他说，他们成功的另一个秘密是该领域在腔体量子电动力学方面的进展，在那里，一个光子被困于一个超导反射室。迫使光子在一个封闭的空间里反弹，超导腔加强了光子和放在里面的任何物质之间的相互作用。

他们的腔体看起来不是很封闭，事实上，它更像一块瑞士奶酪。但看起来像洞的地方实际上是以非常特殊的几何形状相交的隧道，因此光子或原子可以被困在一个交叉点上。这是一个聪明的设计，也允许研究人员进入腔室，以便他们能够注入原子和光子。

该技术可以双向工作：它可以将量子信息从微波光子转移到光学光子，反之亦然。因此，它可以在两个超导量子计算机之间的长距离连接的任何一侧，并作为量子互联网的基本构件。

但库马尔认为，这项技术的应用可能比量子网络多得多。它的核心能力是强纠缠原子和光子--这是整个领域中许多不同的量子技术中必不可少的，也是困难的任务。

他说："我们真正感到兴奋的事情之一是这个平台能够产生真正有效的纠缠，纠缠是我们关心的几乎所有量子的核心，从计算到模拟到计量学和原子钟。我很高兴看到我们还能做什么。"