原?之間的“呼吸”

華盛頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，通過觀察原子在受到激光刺激時發(fā)出的光的類型，他們可以探測到原子的“呼吸”，即兩層原子之間的機(jī)械振動。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)計量子技術(shù)未來將在計算、通信和傳感器開發(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。

“這是一個新的原子尺度的平臺，使用了科學(xué)界所謂的‘光力學(xué)’，其中光和機(jī)械運(yùn)動本質(zhì)上是耦合在一起的?！辟Y深作者莫·李說，他是華盛頓大學(xué)電氣、計算機(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)隊研究了一種被稱為“激子”的量子級準(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。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)射的每個光子的量子特性——比如光子的偏振、波長或發(fā)射時間可以作為量子信息的一個量子比特，即“量子位”，用于量子計算和通信。因為這個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：“從總體上看，要想切實建立一個量子網(wǎng)絡(luò)，我們需要有可靠的方法來創(chuàng)建、操作、存儲和傳輸量子比特，光子是傳輸量子信息的自然選擇，因為光纖使我們能夠以高速長距離傳輸光子，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，該團(tuán)隊將兩層被稱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，他們將二硒化鎢原子的電子從原子核中撞開，從而產(chǎn)生了激子準(zhǔn)粒子。在二硒化鎢的一層上，每個激子由一個帶負(fù)電的電子和一個帶正電的空穴組成。由于相反的電荷相互吸引，電子和每個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，激子發(fā)射出一個帶有量子信息編碼的光子，從而產(chǎn)生了研究小組想要創(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)射另一種類型的準(zhǔn)粒子，稱為聲子。聲子是原子振動的產(chǎn)物，類似于呼吸。在這里，二硒化鎢的兩個原子層就像相互振動的小鼓面，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)研究人員測量發(fā)射光的光譜時，他們注意到幾個等間隔的峰。激子發(fā)射的每一個光子都與一個或多個聲子耦合，這有點類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。通過將量子信息編碼成單個光子發(fā)射的方式，這些變化是可測量和可控的，這一切都是在一個集成系統(tǒng)中完成的，一個只涉及少量原子的設(shè)備。

接下來，該團(tuán)隊計劃在芯片上建造一個波導(dǎo)——光纖，它可以捕捉單個光子的發(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)隊希望能夠控制多個發(fā)射體及其相關(guān)聲子態(tài)，而不是一次只控制一個量子發(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實基礎(chǔ)的一步。

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