超短光脈沖誘導金剛石光學聲子量子態的控制

超短光脈沖引起的晶格原子振動，稱為光學相干聲子，已在各種材料中得到控制。然而，通過經驗理論對不同的實驗證明了這種控制，然而卻缺乏基于量子力學的統一理論。而東京工業大學的科學家成功地為這一現象制定了統一的理論，并在金剛石中進行了實驗驗證，其光學聲子在量子信息技術中具有很大的應用潛力。

當極短的光脈沖進入固體時，晶格中的原子開始振動。總的來說，原子的這種振動表現出波浪狀和類似粒子的行為，而在量子力學中，這些振動被稱為相干光學聲子，因為它們是由光誘導并在相位上振蕩的。聲子可以確定固體的各種物理性質，例如熱和電導率。在先前的實驗中，相干光學聲子的特性，例如幅度和相位，已經通過稱為相干控制的技術在各種材料中成功地控制，這已經通過超快激光技術的進步而成為可能。然而，已經使用不同的經驗理論解釋了不同相干對照實驗的結果。因此，由東京工業大學Kazutaka G. Nakamura教授領導的研究小組與慶應大學量子計算中心的Yutaka Shikano教授和查普曼大學量子研究所合作，最近制定了一個理論框架，從根本上和實際上解釋了這一代和相干光學光子的檢測。該理論基于涉及兩種電子狀態的模型以及量子諧振子，量子諧振子是已知精確解的少數量子力學系統之一。基于該理論的計算表明，受控聲子的幅度可以用兩個正弦函數的和來表示。

為了驗證這一理論，科學家們對金剛石進行了相干控制實驗。金剛石是該領域非常重要的材料，因為其光學聲子的相干控制有望開發量子記憶。在實驗中，通過采用兩個極短的激光脈沖實現相干控制，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生的聲子的特性。在兩個泵浦脈沖之后以延遲發送的探測脈沖用于通過檢測該脈沖相對于延遲的發射強度的變化來測量所產生的聲子的特性。

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測顯示出顯著的一致性。因此，已經實現了對相干光學聲子的相干控制的全面理解。除了電子學，光學，材料科學和超導學中的其他應用之外，該理論預計還可用于量子計算的存儲系統的開發。 (機器人天空)