超短光脈沖誘導(dǎo)金剛石光學(xué)聲子量子態(tài)的控制

超短光脈沖引起的晶格原子振動，稱為光學(xué)相干聲子，已在各種材料中得到控制。然而，通過經(jīng)驗(yàn)理論對不同的實(shí)驗(yàn)證明了這種控制，然而卻缺乏基于量子力學(xué)的統(tǒng)一理論。而東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功地為這一現(xiàn)象制定了統(tǒng)一的理論，并在金剛石中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其光學(xué)聲子在量子信息技術(shù)中具有很大的應(yīng)用潛力。

當(dāng)極短的光脈沖進(jìn)入固體時，晶格中的原子開始振動?？偟膩碚f，原子的這種振動表現(xiàn)出波浪狀和類似粒子的行為，而在量子力學(xué)中，這些振動被稱為相干光學(xué)聲子，因?yàn)樗鼈兪怯晒庹T導(dǎo)并在相位上振蕩的。聲子可以確定固體的各種物理性質(zhì)，例如熱和電導(dǎo)率。在先前的實(shí)驗(yàn)中，相干光學(xué)聲子的特性，例如幅度和相位，已經(jīng)通過稱為相干控制的技術(shù)在各種材料中成功地控制，這已經(jīng)通過超快激光技術(shù)的進(jìn)步而成為可能。然而，已經(jīng)使用不同的經(jīng)驗(yàn)理論解釋了不同相干對照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。因此，由東京工業(yè)大學(xué)Kazutaka G. Nakamura教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與慶應(yīng)大學(xué)量子計(jì)算中心的Yutaka Shikano教授和查普曼大學(xué)量子研究所合作，最近制定了一個理論框架，從根本上和實(shí)際上解釋了這一代和相干光學(xué)光子的檢測。該理論基于涉及兩種電子狀態(tài)的模型以及量子諧振子，量子諧振子是已知精確解的少數(shù)量子力學(xué)系統(tǒng)之一?；谠摾碚摰挠?jì)算表明，受控聲子的幅度可以用兩個正弦函數(shù)的和來表示。

為了驗(yàn)證這一理論，科學(xué)家們對金剛石進(jìn)行了相干控制實(shí)驗(yàn)。金剛石是該領(lǐng)域非常重要的材料，因?yàn)槠涔鈱W(xué)聲子的相干控制有望開發(fā)量子記憶。在實(shí)驗(yàn)中，通過采用兩個極短的激光脈沖實(shí)現(xiàn)相干控制，稱為泵浦脈沖：一個脈沖引起振蕩，或者是聲子，而另一個是控制振蕩的幅度。改變兩個脈沖之間的時間間隔以控制所產(chǎn)生的聲子的特性。在兩個泵浦脈沖之后以延遲發(fā)送的探測脈沖用于通過檢測該脈沖相對于延遲的發(fā)射強(qiáng)度的變化來測量所產(chǎn)生的聲子的特性。

由金剛石中的泵脈沖引起的受控振蕩的測量幅度和相位與該理論的預(yù)測顯示出顯著的一致性。因此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對相干光學(xué)聲子的相干控制的全面理解。除了電子學(xué)，光學(xué)，材料科學(xué)和超導(dǎo)學(xué)中的其他應(yīng)用之外，該理論預(yù)計(jì)還可用于量子計(jì)算的存儲系統(tǒng)的開發(fā)。 (機(jī)器人天空)