a, 暖蒸汽雷德贝格转换器图解：圆偏振的微波场进入铷蒸汽池，雷德贝格态原子在由三束激光定义的相互作用区域中被激发，促进转换过程并产生信号光束。箭头代表相互作用场的波向量 k，符合相位匹配原则。速度的麦克斯韦分布确保了基态原子的持续供应，从而实现了无需原子捕获或再泵送的连续过程。 b，转换过程中使用的 85Rb 能级结构。在近共振方案中，对原子介质施加了三个强场（探测场、耦合场和解耦场）。引入 MW 场（13.9 千兆赫）后，在 776 纳米转变处产生转换发射（信号）。c，共振和 552D5/2 电平失谐情况下探针场失谐域 (δp) 中测得的 EIT 和转换比较。来源：《自然-光子学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41566-023-01295-w

QOT 量子光学技术中心的一组科学家，包括一名来自华沙大学物理系的学生，制造出了一种能够在微波和光学光子之间转换量子信息的装置。

发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的研究成果强调了一种新的微波探测方法，这种方法可应用于量子技术、量子网络基础设施和微波射电天文学。

量子信息的转换
每当你用手机或电脑听一首歌时，都会发生一次信息转换--设备内存中的数字编码文件被转换成驱动耳机的电流。同样，我们也可以转换光子--光的最小量子--中编码的量子信息。

例如，我们可以将信息从单个微波光子传输到单个光学光子。然而，能够进行单光子操作的设备却很难实现，因为它们需要非常精确，并引入极少的噪声。此外，光学光子的能量是微波光子的一万倍，而能够同时与这两种光子相互作用的介质却很少，这也是这项任务的挑战性所在。

尽管如此，量子信息的转换对于混合量子网络--连接不同量子设备（如量子计算机）的网络--仍然至关重要。量子计算可以通过微波光子与超导电路的相互作用来实现，但由于噪声的积累，以这种方式编码的量子信息的远距离传输是一个挑战。

然而，对于光子来说，这不再是一个问题，因为光子可以通过光纤有效地发送量子信息。因此，量子信息的微波-光学转换器可以成为量子网络适配器--量子计算机和量子互联网之间的接口--的重要组成部分。

放大原子
雷德贝格原子是一种既能与微波又能与光子相互作用的已知介质，它以约翰内斯-雷德贝格的名字命名，约翰内斯-雷德贝格在 19 世纪初研究了光学光谱学，并提出了著名的雷德贝格公式。雷德贝格原子可以通过激光激发价电子产生，例如在铷原子中。

这将使原子的体积增大千倍，并获得许多有趣的特性，而这些特性正是整个科学界的热门研究课题。在这种情况下，重要的是要知道里德伯原子对微波辐射非常敏感。

迄今为止，只有在复杂的磁光捕获装置中捕获的激光冷却原子才能实现微波到光学的转换。华沙大学的科学家们首次证明，微波-光学转换可以在室温下，在玻璃池内的原子蒸汽中实现。

所提出的转换器设计明显更加简单，将来还可以进一步微型化。此外，新的转换方案显示出非常低的噪声水平，因此甚至可以对单光子进行操作。尽管新的转换器设置简单得多，但转换参数却出人意料地更好。

特别是，华大的这项发明可以不间断地工作，因为原子无需按照专门设计的时间顺序进行准备，而在其他小组的实验中，这可能会占用设备 99% 以上的工作时间。

华大的科学家们利用这种转换装置，首次在不使用微波天线或特殊低噪声放大器的情况下，实现了室温下的微波热辐射探测。为了达到热辐射水平，该装置必须对单光子敏感，但尽管如此，与其他标准微波装置相比，该转换器可以对强度高出一百万倍的微波辐射起作用，而且不会受到更强磁场的破坏。

未来在于微波
快速发展的量子技术使用各种信息载体。基于超导结的量子计算机以微波频率存储信息，而量子存储器则主要基于光子。与量子网络适配器类似，这两类设备之间的互联也需要一个能同时在微波和光学领域高效工作的接口。这里提出的解决方案就是雷德堡原子。

在通过测量宇宙微波背景研究遥远天体特性或早期宇宙形状的天文观测中，单光子微波操作将非常重要。到目前为止，还无法测量微波光子中的量子信息，而微波到光学的转换可能会开创一个全新的微波射电天文学分支。

日常的大众传播也可以从微波探测的发现中获益。下一代移动技术将大量使用高频微波传输波段，而传统电路很难发射和探测这些波段。有朝一日，原子微波传感器可能会成为高速互联网连接的重要组成部分。

因此，量子光学技术中心（QOT）和世界各地的科研机构都在不断研究如何利用量子技术进行超灵敏微波探测。

参考资料

Borówka, S. et al. Continuous wideband microwave-to-optical converter based on room-temperature Rydberg atoms. Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01295-w. www.nature.com/articles/s41566-023-01295-w