稀释制冷机中的实验装置。使用透镜对发送和收集光信号，微波光子通过同轴电缆输入，外部磁场通过芯片周围的线圈控制。图片来源：Xie等人量子技术利用量子力学效应处理信息，有望在复杂任务中超越经典技术。这类技术的发展与落地，关键在于实现不同量子系统间的高效信息传递。

微波-光量子信号转换难题量子技术领域长期存在一个挑战：如何将微波光子（微波频段的电磁辐射粒子）携带的量子信号转换为光频光子（可见光或近可见光粒子）。这类转换装置被称为微波-光转换器。

近日，加州理工学院的研究团队基于稀土离子掺杂晶体开发出一种新型微波-光转换器。该芯片级转换器采用掺入钒酸钇（YVO₄）晶体的镱-171（¹⁷¹Yb³⁺）离子，相关成果发表于《自然·物理学》。

量子互联网的愿景论文通讯作者Andrei Faraon解释："量子技术的愿景是构建由量子计算机互联而成的量子互联网，类似于现有的经典通信基础设施。超导量子比特是量子计算的主流技术之一，因此需要通过能在室温下长距离传输量子信息的光纤连接这些计算机。"

超导量子比特的运行依赖频率为吉赫兹量级的单光子。如何将这些光子可靠地转换为更易通过光纤传输的光频光子，成为量子技术的关键挑战。

稀土离子的突破性应用研究团队最初尝试用铒原子开发转换器，但效率较低。随后转向钒酸钇晶体中的镱-171离子，发现其对微波光子与光频光子的耦合效率显著提升。这种耦合效果之强，甚至无需设计光学谐振器即可实现高效转换。

器件设计与优势共同第一作者田暐描述："我们使用掺入稀土离子的晶体基底（厚度约0.5毫米），在其表面制作可与数十亿掺杂自旋相互作用的超导微波谐振器，背面镀金镜以增强光频光子收集。"该转换器的核心优势在于其大规模自旋系综形成的内在超强非线性——比常规材料高出数个数量级。由于这种非线性源于材料本身，器件结构简单紧凑，易于冷却，显著降低了附加噪声。

噪声控制与未来展望研究人员首次直接测量了固态原子转换器的噪声，发现其仅增加约一个光子级别的噪声。共同第一作者Rikuto Fukumori表示："令人兴奋的是，噪声水平还有进一步降低至量子领域的空间。实现这一目标将扫清可扩展量子处理器和远程量子网络发展的关键障碍。"

技术参数与创新点

材料创新：采用¹⁷¹Yb³⁺:YVO₄晶体，实现原子能级自动匹配光频与微波频率结构设计：超导微波谐振器+金镜背面的复合结构，提升光子收集效率噪声控制：当前噪声水平仅1.2光子（15 mK温度下），未来有望降至量子极限

应用前景该转换器未来有望用于连接量子网络。下一步研究计划包括：

连接单光子微波源，演示单光子级转换开发更高镱离子浓度的新材料，优化设计以提升效率探索超导量子比特的远程纠缠，为量子计算机互联奠定基础

Faraon总结："我们期待未来几年利用该技术实现超导量子比特的远程纠缠，最终构建互联的超导量子计算机集群。"

这项突破为量子通信和计算的可扩展性提供了新路径，标志着固态量子系统集成的重要进展。随着材料工程与低温技术的进步，稀土离子平台或将成为构建量子互联网的关键组件。

论文信息：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期刊信息：《自然·物理学》