科學(xué)家已經(jīng)成功地利用微觀腔體創(chuàng)造了一種有效的量子力學(xué)光物質(zhì)界面。在這個(gè)腔中，一個(gè)單光子被一個(gè)人造原子發(fā)射和吸收多達(dá)10次。巴塞爾大學(xué)和波鴻魯爾大學(xué)的物理學(xué)家在《自然》期刊上發(fā)表了期研究發(fā)現(xiàn)，這為量子技術(shù)開(kāi)辟了新的前景。量子物理學(xué)將光子描述為光粒子，由于原子的微小尺寸，實(shí)現(xiàn)單個(gè)光子和單個(gè)原子之間的相互作用是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

然而，通過(guò)鏡面多次發(fā)送光子經(jīng)過(guò)原子會(huì)顯著增加相互作用的概率。為了產(chǎn)生光子，研究人員使用被稱(chēng)為量子點(diǎn)的人造原子。這些半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的原子累積而成，但其行為與單個(gè)原子非常相似：當(dāng)它們受到光學(xué)激發(fā)時(shí)，它們的能態(tài)發(fā)生變化，并發(fā)出光子。巴塞爾大學(xué)物理系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的Daniel Najer博士說(shuō)：然而，它們具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以嵌入到半導(dǎo)體芯片中。

量子點(diǎn)和微腔系統(tǒng)

正常情況下，這些輕粒子像燈泡一樣向四面八方飛去。然而，在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將量子點(diǎn)放置在具有反射壁的腔中。彎曲的鏡子將發(fā)射的光子來(lái)回反射多達(dá)10000次，導(dǎo)致光和物質(zhì)之間的相互作用。測(cè)量表明，單個(gè)光子被量子點(diǎn)發(fā)射和吸收多達(dá)10次。在量子水平上，光子被轉(zhuǎn)換成人工原子的更高能態(tài)，在這一點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)新的光子。而且這發(fā)生得非?？?，這在量子技術(shù)應(yīng)用方面是非?？扇〉模阂粋€(gè)周期只持續(xù)200皮秒。

光與物質(zhì)的串行相互作用

巴塞爾大學(xué)物理系的理查德·J·沃伯頓(Richard J.Warburton)教授說(shuō)：能量量子從量子點(diǎn)到光子的轉(zhuǎn)換在理論上得到了很好的支持，但“以前沒(méi)有人如此清楚地觀察到這些振蕩”。這個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)特別有意義，因?yàn)樵谧匀唤缰袥](méi)有直接的光子-光子相互作用。然而，在量子信息處理中需要使用受控的相互作用。根據(jù)量子物理定律，通過(guò)將光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，各個(gè)光子之間的相互作用變得間接可能。

即通過(guò)光子和量子點(diǎn)中捕獲的單個(gè)電子自旋之間糾纏的迂回。如果涉及到幾個(gè)這樣的光子，量子門(mén)可以通過(guò)糾纏光子產(chǎn)生。這是產(chǎn)生光子量子比特的關(guān)鍵一步，光子量子比特可以通過(guò)光粒子的量子態(tài)來(lái)存儲(chǔ)信息，并將其傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離。實(shí)驗(yàn)在光學(xué)頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)腔的大小(必須與波長(zhǎng)相適應(yīng))和反射鏡的反射率提出了很高技術(shù)要求，以便光子盡可能長(zhǎng)地留在腔中。

博科園｜研究/來(lái)自：巴塞爾大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1709-y