原?之間的“呼吸”

華盛頓大學的研究人員發現，通過觀察原子在受到激光刺激時發出的光的類型，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。

研究人員還開發了一種設備，可以作為量子技術的新型構建塊，人們普遍預計量子技術未來將在計算、通信和傳感器開發等領域有許多的應用。

研究人員將這些發現發表在《自然納米技術》雜志上。

“這是一個新的原子尺度的平臺，使用了科學界所謂的‘光力學’，其中光和機械運動本質上是耦合在一起的。”資深作者莫·李說，他是華盛頓大學電氣、計算機工程和物理學教授。“它提供了一種新型的涉及量子效應，可用于控制通過集成光學電路的單光子，用于許多應用。”

此前，該團隊研究了一種被稱為“激子”的量子級準粒子。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，被認為是光的量子單位。發射的每個光子的量子特性——比如光子的偏振、波長或發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、華盛頓大學物理學博士生阿迪娜·里平說：“從總體上看，要想切實建立一個量子網絡，我們需要有可靠的方法來創建、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。”

研究人員正在研究激子，以創造一個單一的光子發射器或“量子發射器”，這是基于光和光學的量子技術的關鍵組成部分。為了做到這一點，該團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。當研究人員應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，從而產生了激子準粒子。在二硒化鎢的一層上，每個激子由一個帶負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合在一起。當電子回到它之前占據的空穴時，激子發射出一個帶有量子信息編碼的光子，從而產生了研究小組想要創造的量子發射器。

但研究小組發現，二硒化鎢原子正在發射另一種類型的準粒子，稱為聲子。聲子是原子振動的產物，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，產生聲子。這是第一次在這種二維原子系統的單光子發射器中觀察到聲子。

當研究人員測量發射光的光譜時，他們注意到幾個等間隔的峰。激子發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。他們施加電壓，發現它們可以改變相關聲子的相互作用能量，并發射光子。通過將量子信息編碼成單個光子發射的方式，這些變化是可測量和可控的，這一切都是在一個集成系統中完成的，一個只涉及少量原子的設備。

接下來，該團隊計劃在芯片上建造一個波導——光纖，它可以捕捉單個光子的發射，并將它們引導到需要的地方，然后擴大系統的規模。該團隊希望能夠控制多個發射體及其相關聲子態，而不是一次只控制一個量子發射體。這將使量子發射器能夠相互“交談”，這是為量子電路建立堅實基礎的一步。

“我們的首要目標是創建一個集成系統，量子發射器可以使用單個光子通過光學電路和新發現的聲子進行量子計算和量子傳感。”研究人員表示，“這一進展肯定會為這一努力做出貢獻，它有助于進一步發展量子計算，未來量子計算將有許多應用。”