我国科研团队在国际上首次实现量子存储辅助的单微波-光波光子转换

近日，南师范大学物理学院冷原子团队在量子网络领域取得研究进展，在国际上首次实现了量子存储辅助的单微波-光波光子转换。该成果以“Quantum-memory-assisted on-demand microwave-optical transduction”为题，在国际学术期刊《Nature Communications》在线发表。

利用光互联将多台超导量子计算机组成网络，是实现大规模量子计算的可能技术路径之一。然而，超导量子处理器工作在微波频段，光互联的关键前提是实现高效、低噪声的微波—光波量子转换。该团队前期利用非共振六波混频，克服了传统方案效率较低的瓶颈，实现了效率达到80%的微波—光波相干转换，但这一结果尚未达到单光子水平的量子转换需求。

针对这一问题，冷原子团队提出并在实验上实现了量子存储辅助的微波—光波相干转换方案。该方案基于级联电磁感应透明过程：先将微波光子写入并存储为里德堡高激发态的原子集体激发，再在读取阶段将其转换为光波光子。得益于里德堡原子系综在微波跃迁上约百万量级的光学厚度，以及单光子水平下较低的退相干率，实验实现了效率约90%的单光子水平微波—光波相干转换。与直接混频方案相比，存储辅助的读写机制可有效抑制转换噪声，并具有时间同步能力。

该方案原则上可兼容低温环境，具备向低温片上平台拓展、实现高效率单光子量子换能器的潜力。这项工作为量子换能器的实用化提供了重要实验依据，也将在射电天文、微波单光子探测等领域展现出应用前景。

南师范大学涂海涛特聘研究员、廖开宇副教授和仇思源博士为共同第一作者，廖开宇副教授、颜辉教授和朱诗亮教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重大研究计划、国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项等经费的支持。

论文链接 https://www.nature.com/articles/s41467-026-75752-9