近期，我院/物理前沿科学研究院/粤港量子物质联合实验室/广东省量子调控工程与材料重点实验室冷原子研究团队在量子网络领域取得重要研究进展：实现了国际上最高效率的微波-光波相干转换。该成果于2月28日以“High-efficiency coherent microwave-to-optics conversion via off-resonant scattering”为题在自然子刊《Nature Photonics》（影响因子 : 38.771）在线发表。论文联接 https://www.nature.com/articles/s41566-022-00959-3。

基于超导比特的量子计算机是最领先的量子计算体系之一，但超导量子计算机工作在微波频段。由于微波波导传输损耗很高，通过微波很难实现两台超导量子计算机的长距离互联。与微波相比，光波在光纤中的传输损耗则小很多，是理想的量子信息传输载体。因此将微波波段光子高效率地相干转换到光波波段就有可能实现多台超导量子计算机的远距离互联，从而实现可扩展分布式量子计算。在此之前，国际上多个研究组利用电光转换器、光力耦合器、磁光耦合器以及原子或类原子等体系演示了微波-光波相干转换，但是转换效率都没有突破50%，这是实用化（量子不可克隆极限）需要的最低阈值条件。因此发展高效率的微波-光波相干转换成为此领域的重要科学问题。

之前，国际上基于里德堡原子实现了转换效率为5%的微波-光波相干转换，进一步提高转换效率是急需解决的问题。我院研究人员仔细分析了现有方案限制效率提高的原因：原子暗态布局数随光学厚度的增加而饱和，导致微波光子的吸收截面太小。据此分析，提出了利用非共振六波混频方案消除原子暗态，从而增大微波光子的吸收截面方案。进一步，我院研究人员实验实现了此方案，通过长条状超冷原子实现大光学厚度的同时还保持了相对较低的原子密度，通过稳定的偏置磁场消除塞曼简并等方式延长里德堡原子的相干时间，从而实现了效率超过82%的微波-光波相干转换，为超导量子计算机光学接口的实用化奠定了基础。审稿人评价：这是利用中性原子实现微波-光波相干转换的显著进步，对超导量子比特的远距离互联具有重要意义。此外，高效率地微波-光波相干转换也可以促进微波光子学领域的技术进步，从而进一步促进微波光子学在卫星遥感、深空探测、电子对抗等领域的应用。

   我院硕博连读研究生涂海涛和预聘制青年教师廖开宇博士为共同第一作者，廖开宇博士、颜辉教授和朱诗亮教授为共同通讯作者，参与该工作的还有我院张新定教授等。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等经费的支持。

图一 六波混频实验示意图

图二  《Nature Photonics》论文首页