不仅捕捉单个光子,还能定位、操纵、存储一个光子!

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量子光学研究光和物质在微观层面的相互作用。它赢得了诺贝尔奖,包括自2001年以来的三个奖项,并被授予科学界一些最着名的人。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未被探索。

来自维也纳技术大学,杜克大学,巴勒莫大学和意大利CNR纳米科学研究所以及美国能源部布鲁克海文国家实验室的国际科学家团队宣布了一种新的光子捕获方法。

该方法可以定位和存储光子,提供解开复杂物理现象的替代方案并操纵单个光子的量子态。研究结果最近发表在《物理评论快报》上。 Leo是Brookhaven计算科学计划的量子计算组的助理计算科学家,也是本文的作者之一。然而,在系统的连续性之外,束缚态通常与连续能谱分开。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,方耀龙指出,连续体(BIC)是一个活跃于许多科学和工程领域的研究课题。

在一些原子波导装置(其中一维光学通道与原子强耦合的测试床)中,可能存在光和物质的集体激发以形成连续体(BIC)。有了这些知识,研究人员开发了一种激发连续体(BIC)的新方法,这种方法以前被认为只能通过自发光来实现。与需要控制介质中光传播的传统方法不同,这提供了一种捕获单个光子而不会降低光速的新方法。方耀龙说:当弗朗西斯科(该论文的合着者)首次提出让连续统一体(BIC)激发思想时,我有点怀疑。然而,当我们坐下来仔细分析它时,我们发现他是对的,真的很有用!

激励BIC耦合在一维波导上的两个远距离量子位之间:当等效子位被多个半共振波长分开时允许BIC存在的系统的示意图。照片:布鲁克海文国家实验室

该团队考虑了两个试验台中的连续体,包括连接到一对远距离原子的开放波导。连续谱的激励还需要两个重要因素:多光子小波包和相当长的时间延迟。发现通过适当设计时间延迟和波参数,可以发射两个光子,捕获一个光子的概率超过80%。通过改进参数,理论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一个可选实例。反过来,这可以为涉及量子多物理学的广泛研究领域提供信息,其中该系统由许多量子力学相互作用的粒子组成。

必须有一个有限的时间延迟来最大化陷阱。这种方法的价值在于它可以使量子存储,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,所以它们需要降低速度以便存储。现在有一种新的,可验证的光子存储机制。团队的光子散射工作也是不同的,因为它受非马氏动力学的影响,这可能很难解决,因为在系统中,先前的状态如何影响后续状态。从全光学系统,如微波和激光,原子,分子和光学物理到光学力学,人们通常对非马氏物理学感兴趣,这是一种偏离纯指数衰减的典型特征。

研究具有时间延迟的多体效应在技术上是非常困难的。在具有延迟效应的非马尔可夫动力学中,该研究提出了具有相似物理性质的模型系统。模型系统可以通过数值解来解决物理问题。家庭推断并测试这些系统中发生的事情。使用连续体(BIC)的可能性很高,例如为量子计算机创建双量子比特纠缠门,甚至设想量子网络上的长距离通信。通过激发连续谱,可以在量子网络中的两个远程节点之间发生有限的纠缠。有许多方法可以为其他工作和新兴科学提供有效的解决方案。