原?之間的“呼吸”

華盛頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)觀察原子在受到激光刺激時(shí)發(fā)出的光的類(lèi)型，他們可以探測(cè)到原子的“呼吸”，即兩層原子之間的機(jī)械振動(dòng)。這種原子“呼吸”的聲音可以幫助研究人員編碼和傳輸量子信息。

研究人員還開(kāi)發(fā)了一種設(shè)備，可以作為量子技術(shù)的新型構(gòu)建塊，人們普遍預(yù)計(jì)量子技術(shù)未來(lái)將在計(jì)算、通信和傳感器開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有許多的應(yīng)用。

研究人員將這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上。

“ 這是一個(gè)新的原子尺度的平臺(tái)， 使用了科學(xué)界所謂的‘ 光力學(xué)，其中光和機(jī)械運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上是耦合在一起的?！?資深作者莫· 李說(shuō)，他是華盛頓大學(xué)電氣、計(jì)算機(jī)工程和物理學(xué)教授?！八峁┝艘环N新型的涉及量子效應(yīng)，可用于控制通過(guò)集成光學(xué)電路的單光子，用于許多應(yīng)用?！?p>

此前，該團(tuán)隊(duì)研究了一種被稱(chēng)為“激子”的量子級(jí)準(zhǔn)粒子。信息可以被編碼成激子，然后以光子的形式釋放出來(lái)。光子是一種微小的能量粒子，被認(rèn)為是光的量子單位。發(fā)射的每個(gè)光子的量子特性——比如光子的偏振、波長(zhǎng)或發(fā)射時(shí)間可以作為量子信息的一個(gè)量子比特， 即“ 量子位”，用于量子計(jì)算和通信。因?yàn)檫@個(gè)量子比特是由光子攜帶的，所以它以光速傳播。

該研究的主要作者、華盛頓大學(xué)物理學(xué)博士生阿迪娜· 里平說(shuō)：“從總體上看，要想切實(shí)建立一個(gè)量子網(wǎng)絡(luò)，我們需要有可靠的方法來(lái)創(chuàng)建、操作、存儲(chǔ)和傳輸量子比特，光子是傳輸量子信息的自然選擇，因?yàn)楣饫w使我們能夠以高速長(zhǎng)距離傳輸光子，而能量或信息的損失很低?！?/p>

研究人員正在研究激子，以創(chuàng)造一個(gè)單一的光子發(fā)射器或“量子發(fā)射器”，這是基于光和光學(xué)的量子技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。為了做到這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)將兩層被稱(chēng)為二硒化鎢的鎢原子和硒原子放在彼此的頂部。當(dāng)研究人員應(yīng)用精確的激光脈沖時(shí)，他們將二硒化鎢原子的電子從原子核中撞開(kāi)，從而產(chǎn)生了激子準(zhǔn)粒子。在二硒化鎢的一層上，每個(gè)激子由一個(gè)帶負(fù)電的電子和一個(gè)帶正電的空穴組成。由于相反的電荷相互吸引，電子和每個(gè)激子中的空穴緊密地結(jié)合在一起。當(dāng)電子回到它之前占據(jù)的空穴時(shí)，激子發(fā)射出一個(gè)帶有量子信息編碼的光子，從而產(chǎn)生了研究小組想要?jiǎng)?chuàng)造的量子發(fā)射器。

但研究小組發(fā)現(xiàn)，二硒化鎢原子正在發(fā)射另一種類(lèi)型的準(zhǔn)粒子，稱(chēng)為聲子。聲子是原子振動(dòng)的產(chǎn)物，類(lèi)似于呼吸。在這里，二硒化鎢的兩個(gè)原子層就像相互振動(dòng)的小鼓面，產(chǎn)生聲子。這是第一次在這種二維原子系統(tǒng)的單光子發(fā)射器中觀察到聲子。

當(dāng)研究人員測(cè)量發(fā)射光的光譜時(shí)，他們注意到幾個(gè)等間隔的峰。激子發(fā)射的每一個(gè)光子都與一個(gè)或多個(gè)聲子耦合，這有點(diǎn)類(lèi)似于一次一階地攀登量子能量階梯，在光譜上，這些能量峰值在視覺(jué)上由等間隔的峰值表示。

研究人員很好奇他們是否能將聲子用于量子技術(shù)。他們施加電壓，發(fā)現(xiàn)它們可以改變相關(guān)聲子的相互作用能量， 并發(fā)射光子。通過(guò)將量子信息編碼成單個(gè)光子發(fā)射的方式，這些變化是可測(cè)量和可控的，這一切都是在一個(gè)集成系統(tǒng)中完成的，一個(gè)只涉及少量原子的設(shè)備。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在芯片上建造一個(gè)波導(dǎo)——光纖，它可以捕捉單個(gè)光子的發(fā)射，并將它們引導(dǎo)到需要的地方，然后擴(kuò)大系統(tǒng)的規(guī)模。該團(tuán)隊(duì)希望能夠控制多個(gè)發(fā)射體及其相關(guān)聲子態(tài)，而不是一次只控制一個(gè)量子發(fā)射體。這將使量子發(fā)射器能夠相互“交談”，這是為量子電路建立堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的一步。

“我們的首要目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)集成系統(tǒng)，量子發(fā)射器可以使用單個(gè)光子通過(guò)光學(xué)電路和新發(fā)現(xiàn)的聲子進(jìn)行量子計(jì)算和量子傳感。”研究人員表示，“這一進(jìn)展肯定會(huì)為這一努力做出貢獻(xiàn)，它有助于進(jìn)一步發(fā)展量子計(jì)算，未來(lái)量子計(jì)算將有許多應(yīng)用?！?/p>