Kvantteknik, som utnyttjar kvantmekaniska effekter för att bearbeta information, kan överträffa sina klassiska motsvarigheter i vissa komplexa och avancerade uppgifter. Utvecklingen och den praktiska tillämpningen av dessa tekniker är delvis beroende av förmågan att överföra information mellan olika typer av kvantsystem på ett effektivt sätt.
En långvarig utmaning inom kvantteknik är att omvandla kvantsignaler som bärs av mikrovågsfotoner (dvs. partiklar av elektromagnetisk strålning i mikrovågsfrekvensområdet) till optiska fotoner (dvs. synliga eller nästan synliga ljuspartiklar). Enheter som är utformade för att utföra denna omvandling kallas mikrovågs-till-optiska omvandlare.
Forskare vid California Institute of Technology har nyligen utvecklat en ny mikrovågs-till-optisk omvandlare baserad på kristaller dopade med sällsynta jordartsmetaller. Deras omvandlare på chip, som beskrivs i en artikel publicerad i Nature Physics, implementerades med hjälp av ytterbium-171-joner dopade i en YVO4-kristall.
”Inom ramen för kvantteknik är visionen att vi en dag kommer att ha kvantdatorer som är sammankopplade i ett kvantinternet, liknande den nuvarande klassiska infrastrukturen och kommunikationsinfrastrukturen”, säger Andrei Faraon, seniorförfattare till artikeln, till Phys.org.
”En av de ledande teknikerna för kvantdatorer baseras på supraledande kvantbitar, så det pågår försök att koppla samman dessa datorer via optiska fibrer som kan överföra kvantinformation vid rumstemperatur och över långa avstånd.”
Funktionen hos supraledande kvantbitar stöds av enskilda fotoner med frekvenser på några gigahertz. Att utveckla omvandlare som på ett tillförlitligt sätt kan omvandla dessa fotoner till optiska fotoner, som färdas lättare i optiska fibrer, är en viktig utmaning inom kvanttekniken.
Chip under optiskt mikroskop. Mikrovågssignalerna leds från kretskortet till en koplanar vågledare på chipet via trådbindningar. Källa: Xie et al.
”De flesta tekniker för att uppnå detta bygger på icke-linjära optiska system som är kopplade till både optiska och mikrovågsresonatorer”, säger Faraon. ”Vissa tidigare arbeten har visat att atomer dopade med kristaller kan fungera som det icke-linjära system som utför denna omvandling, eller transduktion. Vårt laboratorium hade expertis inom arbete med sällsynta jordartsmetaller (eller joner) dopade i kristaller, så vi bestämde oss för att undersöka om de verkligen kan utföra effektiv transduktion.”
Faraon och hans kollegor försökte först utveckla mikrovågs-till-optiska omvandlare med hjälp av erbiumatomer, men effektiviteten var låg. Forskarna beslutade därför att byta till ytterbium 171-joner i yttriumortovanadat, vilket visade sig vara mycket effektivt för att koppla ihop mikrovågsfotoner och optiska fotoner, vilket gav högre effektivitet. Kopplingen de observerade var så bra att de kunde uppnå god effektivitet även utan att behöva konstruera optiska resonatorer.
”Vi började med ett kristallsubstrat, ungefär en halv millimeter tjockt, dopat med sällsynta jordartsmetaller”, förklarar Tian Xie, medförfattare till artikeln. ”På dess övre yta mönstrade vi en supraledande mikrovågsresonator som kommunicerar med miljarder dopantspinnar inuti kristallen. Den bakre ytan förses med en tunn guldspegel för att förbättra uppsamlingen av optiska fotoner.”
Den främsta fördelen med den omvandlare som Faraon, Xie och deras kollegor har utvecklat är att dess underliggande stora spinnensemble bildar en inneboende ultrastark ”icke-linjäritet”, som vanligtvis är flera storleksordningar högre än den som bildas i andra konventionella material. Eftersom denna ensemble är inbyggd i själva materialet förblir enheten enkel, kompakt och lätt att kyla, vilket minimerar extra brus.
”En annan egenskap är att driftsfrekvenserna bestäms av atomernas energinivåer, vilket leder till automatiskt anpassade optiska och mikrovågsfrekvenser mellan enheterna”, säger Xie. ”Denna enhetlighet är avgörande för framtida kvantnätverk, där det behövs oskiljbara fotoner för att skapa sammanflätning mellan avlägsna kvantnoder.”
En bild av enheten under ett optiskt mikroskop. En supraledande mikrovågsresonator är mönstrad på den övre ytan av ett niobiumskikt. En guldspegel är förångad på baksidan för optisk fotonsamling. Källa: Xie et al.
I de första experimenten kunde forskarna för första gången direkt mäta bruset i sin fastfasatomtransducer. Dessutom fann de att detta brus var förvånansvärt lågt.
”Omvandlaren tillför endast cirka en foton av brus, och vi kunde spåra varje bidrag till dess källa”, säger Rikuto Fukumori, medförfattare till artikeln. ”Det spännande är att det finns utrymme att sänka bruset ytterligare, kanske till kvantregimen. Att nå den nivån skulle undanröja ett viktigt hinder för skalbara kvantprocessorer och kvantnätverk över långa avstånd.”
Den nya omvandlaren som utvecklats av Faraon, Xie, Fukumori och deras kollegor kan snart förbättras ytterligare och användas för att på ett tillförlitligt sätt koppla samman framtida kvantnätverk. Som en del av sina nästa studier vill forskarna också koppla en mikrovågskälla med en enda foton till sin omvandlare, eftersom detta skulle göra det möjligt för dem att demonstrera omvandlingen av enkel fotoner.
”Denna källa består av några supraledande kvantbitar och andra supraledande enheter”, tillägger Faraon. ”En annan inriktning för framtida forskning kommer att vara att förbättra enhetens effektivitet och minska bruset, vilket vi gör genom att undersöka nya material med högre ytterbiumkoncentration och genom att förbättra designen.
”Vi hoppas att vi inom några år kommer att kunna visa fjärrkoppling av supraledande kvantbitar med hjälp av denna transduktionsteknik, och att vi kommer att koppla samman framtida supraledande kvantdatorer.”
Mer information: Tian Xie et al, Scalable microwave-to-optical transducers at the single-photon level with spins, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02884-y.
