2019-05-15 22:21:02
捕获单个光子以探索基础物理和量子信息科学

量子光学,在微观层面上检查光与物质的相互作用,获得了诺贝尔奖 - 包括自2001年以来颁发的三项奖项 - 一些科学界知名人士。然而,即使在这个成熟的领域,一些有趣的物理学仍然很大程度上尚未开发。来自奥地利维也纳工业大学,杜克大学,巴勒莫大学和意大利国家科学研究中心(CNR)的国际科学家团队以及美国能源部布鲁克海文国家实验室已经公布了一种新的光子捕获方法,可以进行本地化和存储一个光子,提供解开复杂物理和操纵单光子量子态的另一种选择。他们的工作最近发表在Physical Review Letters上。

Yao-Lung(Leo)Fang是布鲁克海文计算科学计划中量子计算组的助理计算科学家,也是该论文的共同作者,他解释说占据稳定束缚态的粒子被限制在太空中,例如电子轨道。氢原子。然而,束缚态通常与连续能谱断开 - 即,在系统的连续谱之外。这使得连续体(BIC)中的束缚态成为一种有趣且难以研究的物理现象。事实上,方舟子指出,BIC是许多科学和工程领域的活跃研究课题。

在一些原子波导设置(一维光学通道与原子强耦合的测试床)中,可以存在由光和物质的集体激发组成的BIC。有了这些知识,方和他的同事们确定了一种激发BIC的新方法,以前认为只有自发光子发射才有可能。与需要控制光在介质中传播的传统方法不同,它们的激发方法提供了一种捕获单光子而不减慢光的新方法。

“当弗朗切斯科[Ciccarello,该论文的共同作者]首次提出这个让我们兴奋BIC的想法时,我有点怀疑,”方说。 “但是,在我们坐下来彻底分析之后,事实证明他是对的。它确实有效!”

该团队在两个测试平台中考虑了BIC,包括耦合到一对远距离原子的开放波导。激发BIC还需要两个重要的成分:多光子波包和相当长的时间延迟(光子在两个远距离物体之间传播的往返时间)。方和他的同事发现,通过适当地设计时间延迟和波参数,他们可以发送两个光子并捕获一个具有超过80%概率的光子。通过改进参数,他们希望原则上可以实现完美的捕获。该结果为研究非线性系统中的量子动力学提供了另一个例子。反过来,这可以为涉及量子多体物理的广泛领域提供信息,其中系统由许多量子力学相互作用的粒子组成。

“我们必须有有限的时间延迟来最大化陷阱,”方说。 “价值在于该方法可以使量子记忆,网络和计算受益。例如,量子计算机需要存储光子并在需要时检索它。因为光子以光速移动而无法停止,我们需要减速它们现在,我们有一个新的,可验证的机制来存储光子。“

方舟子承认,团队的光子散射工作也因其非马尔可夫动力学的影响而有所不同,由于先前的状态如何影响系统中的后续状态,因此很难解决。

“非马尔可夫物理学普遍受到关注,从全光学系统,包括微波和激光,AMO [原子,分子和光学]物理到光机械学,典型的特征是偏离纯指数衰减,”他解释说。 。 “在研究具有时滞的多体效应方面存在很大的技术难度。在具有延迟效应的非马尔可夫动力学中,我们的研究提出了一个具有相似物理学的模型系统,可以用数字方法解决,让物理学家推断和检验这些系统中发生的情况。 “。

方舟子指出,最终利用BIC的潜力很大,例如为量子计算机创建一个双量子比特的纠缠门,甚至可以设想量子网络上的长距离通信。

“通过激发BIC,可以在量子网络中的两个远端节点之间产生有限的纠缠,”他说。 “这种方法可以通过多种方式为其他工作和新兴科学领域提供有影响力的方案。”

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