高效的量子力学界面导致光与物质之间的强相互作用

时间：2022-03-06 14:25:09 来源：

两个高反射镜的微观腔用于允许封闭的人造原子（称为量子点）与单个光子相互作用。在丢失之前，光子会被量子点发射并重新吸收多达10次。量子点在半导体芯片内被电控制。

研究人员已经成功地使用微观腔创建了有效的量子力学光物质界面。在该腔体内，单个光子被人造原子发射并吸收多达10次。巴塞尔大学和波鸿鲁尔大学的物理学家在《自然》杂志上报告说，这为量子技术开辟了新的前景。

量子物理学将光子描述为光粒子。由于原子的尺寸很小，实现单个光子和单个原子之间的相互作用是一项巨大的挑战。但是，通过反射镜多次将光子发送通过原子，会大大增加发生交互作用的可能性。

为了产生光子，研究人员使用了人造原子，称为量子点。这些半导体结构由成千上万个原子的累积组成，但行为却非常像单个原子：当它们被光激发时，它们的能态发生变化，并发出光子。“但是，它们具有可以嵌入半导体芯片中的技术优势，”在巴塞尔大学物理系进行实验的Daniel Najer博士说。

量子点和微腔系统

通常，这些光粒子像灯泡一样向各个方向飞散。然而，对于他们的实验，研究人员将量子点放置在具有反射壁的空腔中。弯曲的反射镜来回反射发射的光子多达10,000次，从而导致光与物质之间的相互作用。

测量表明，单个光子被量子点发射和吸收多达10倍。在量子水平上，光子被转换为人造原子的更高能态，此时将创建一个新的光子。而且这种情况发生得非常快，这在量子技术的应用方面非常可取：一个周期仅持续200皮秒。

巴塞尔大学物理系的Richard J. Warburton教授说，能量量子从量子点到光子然后再返回的转换在理论上得到了很好的支持，但是“以前从未如此清晰地观察到这些振荡”。。

光与物质的串行相互作用

成功的实验特别重要，因为自然界中没有直接的光子-光子相互作用。但是，在量子信息处理中需要受控的交互作用。

通过根据量子物理学定律将光转换为物质，间接光子之间的相互作用将成为间接可能的-即，通过绕开光子与陷在量子点中的单个电子自旋之间的纠缠绕行。如果涉及多个这样的光子，则可以通过纠缠的光子来创建量子门。这是光子量子位生成过程中至关重要的一步，光子量子位可以通过光粒子的量子状态存储信息，并在很长的距离内传输它们。

国际合作

实验在光频率范围内进行，对腔体的尺寸提出了很高的技术要求，腔体的尺寸必须适应波长和反射镜的反射率，以使光子在腔体中的保留时间尽可能长。

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参考：Daniel Najer，ImmoSöllner，Pavel Sekatski，Vincent Dolique，MatthiasC.Löbl，Daniel Riedel，RüdigerSchott，Sebastian Starosielec，Sascha R.Valentin，Andreas D.Wieck，Nicolas的“门控量子点与光学微腔强耦合” Sangouard，Arne Ludwig和Richard J.Warburton，2019年10月21日，自然。
10.1038 / s41586-019-1709-y

半导体量子点和腔体的一面镜子是由波鸿鲁尔大学的Andreas D. Wieck教授和Arne Ludwig博士领导的团队制造的。另一面镜子是里昂大学制作的。由巴塞尔大学的Nicolas Sangouard教授领导的量子光学理论小组提供了理论支持。

巴塞尔研究人员的财政资源来自NCCR QSIT，瑞士国家科学基金会和Horizon 2020。

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