量子光學(xué)在微觀水平上研究光和物質(zhì)的相互作用，它已經(jīng)獲得了諾貝爾獎，其中包括2001年以來的三個獎項(xiàng)，授予了一些科學(xué)界最著名的人。然而，即使在這個成熟的領(lǐng)域，一些有趣的物理學(xué)仍然很大程度上沒有得到探索。來自奧地利維也納工業(yè)大學(xué)、杜克大學(xué)、帕勒莫大學(xué)和意大利CNR納米科學(xué)研究所的一個國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，以及美國能源部的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，公布了一種新的光子捕獲方法。
這種方法可以定位和存儲一個光子，為解開復(fù)雜的物理現(xiàn)象和操縱單個光子的量子態(tài)提供了另一種選擇，研究成果最近發(fā)表在《物理評論快報》上。方耀龍(Leo)是布魯克海文計算科學(xué)計劃量子計算小組的助理計算科學(xué)家，也是這篇論文的作者之一。然而，束縛態(tài)通常與連續(xù)能譜是分離的，在系統(tǒng)的連續(xù)外。這使得連續(xù)體(BIC)中的束縛態(tài)成為一種有趣而又難以研究的物理現(xiàn)象。事實(shí)上，方耀龍指出連續(xù)體(BIC)是一個活躍在許多科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究課題。
在某些原子波導(dǎo)裝置中(一個一維光通道與原子強(qiáng)耦合的試驗(yàn)臺)，可以存在光和物質(zhì)的集體激發(fā)構(gòu)成連續(xù)體(BIC)。有了這些知識，研究人員開發(fā)出了一種新方法來激發(fā)連續(xù)體(BIC)，這在以前被認(rèn)為只有通過自發(fā)光子發(fā)射才能實(shí)現(xiàn)。不像傳統(tǒng)的方法需要控制光在介質(zhì)中傳播，這提供了一種新的方法來捕獲單個光子而不減慢光的速度。方耀龍說：當(dāng)弗朗西斯科(論文合著者)第一次提出讓連續(xù)體(BIC)激發(fā)想法時，我有點(diǎn)懷疑。但是，當(dāng)我們坐下來仔細(xì)分析之后，發(fā)現(xiàn)他是對的，真的有用！
激發(fā)耦合到一維波導(dǎo)上的兩個遙遠(yuǎn)量子位元之間的BIC：當(dāng)量子位元被多個半共振波長分開時，一個系統(tǒng)允許BIC存在的示意圖。圖片：Brookhaven National Laboratory
研究小組在兩個試驗(yàn)臺中考慮了連續(xù)體，包括一個連接到一對遙遠(yuǎn)原子的開放波導(dǎo)。激發(fā)連續(xù)體還需要兩個重要的因素：一個多光子波包和一個相當(dāng)長的時間延遲。發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計時間延遲和波參數(shù)，可以發(fā)射兩個光子，捕獲一個光子的概率超過80%。通過改進(jìn)參數(shù)，在理論上，一個完美的捕獲是可能的。該結(jié)果為研究非線性系統(tǒng)中的量子動力學(xué)提供了一個可選的例子。反過來，這可以為涉及量子多體物理的廣泛研究領(lǐng)域提供信息，在這些領(lǐng)域中，系統(tǒng)由許多量子力學(xué)相互作用的粒子組成。
必須有有限的時間延遲來最大化陷阱，這種方法的價值在于，它可以使量子存儲、網(wǎng)絡(luò)和計算受益。例如，量子計算機(jī)需要存儲光子，并在需要時檢索它。因?yàn)楣庾右怨馑龠\(yùn)動，不能停止，所以需要減慢它們的速度，這樣它們才能被儲存起來?，F(xiàn)在有了一種新的、可驗(yàn)證機(jī)制來存儲光子。該團(tuán)隊(duì)的光子散射工作也有所不同，因?yàn)樗芊邱R氏動力學(xué)的影響，這可能很難解決，因?yàn)樵谝粋€系統(tǒng)中，先前的狀態(tài)如何影響隨后的狀態(tài)。從微波和激光等全光系統(tǒng)、原子、分子和光學(xué)物理到光學(xué)力學(xué)，人們對非馬氏物理學(xué)普遍感興趣，一個典型的特征就是偏離了純粹的指數(shù)衰減。
研究具有時滯的多體效應(yīng)存在很大技術(shù)困難，在具有延遲效應(yīng)的非馬爾可夫動力學(xué)中，研究提出了一個具有類似物理性質(zhì)的模型系統(tǒng)，該模型系統(tǒng)可以通過數(shù)值求解來讓物理學(xué)家推斷和檢驗(yàn)這些系統(tǒng)中發(fā)生了什么。最終利用連續(xù)體（BIC）的潛力很大，例如為量子計算機(jī)創(chuàng)建一個雙量子位糾纏門，甚至設(shè)想通過量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。通過激發(fā)連續(xù)體，可以在量子網(wǎng)絡(luò)中兩個遙遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生有限的糾纏。有很多方法可以為其他工作和新興科學(xué)領(lǐng)域提供有效的方案。
博科園｜研究/來自：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.073601
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