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和磊科学研究有限公司新系统将激光束转换成单光子的受控流

作者:admin 发布时间:2020-03-31 12:32点击:
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新系统将激光束转换成单光子的受控流

艺术家的构想显示了如何调节超冷原子云(中心)吸收任意数量的入射光子(顶部),从而使其一次只能通过一个光子

能够产生受控的单光子束一直是创建量子器件的研究目标

图:克里斯汀·丹妮洛夫(christine daniloff)

麻省理工学院和哈佛大学的科学家采用了一种基于电磁感应的透明性的技术,能够以受控的方式将激光束转换成单光子流或光粒子流,这有可能为诸如量子等新的量子装置打开大门盖茨

从理论上讲,量子计算机应该能够比传统计算机快得多地执行某些复杂的计算,并且基于量子的通信可能无法窃听

但是事实证明,为现实世界的设备生产量子组件充满了艰巨的挑战

现在,麻省理工学院和哈佛大学的一个研究人员团队已经实现了此类工作的一个重要的长期目标:以受控方式将激光束转换为单光子或光粒子流的能力

麻省理工学院的博士生thibault peyronel及其同事于本周在《自然》杂志上发表了一篇论文,详细说明了这一成就的成功证明

麻省理工学院的莱斯特·沃尔夫物理学教授,资深作家弗拉丹·弗莱蒂(vladan vuleti)表示,这项成就可以实现新的量子装置,例如量子门,其中单个光子可以切换另一个光子的传播方向或极化方向

vuleti解释说,很难实现这一目标,因为光子通常最多只能相互之间非常弱地相互作用

鼓励这种相互作用需要原子与光子以及与其他原子发生强烈相互作用的原子,这些原子又会影响其他光子

例如,穿过这样一个原子云的单个光子可能很容易通过,但是会改变原子的状态,以便第二个光子在试图通过时被阻塞

这意味着,如果两个光子试图一次通过,则只有一个成功,而另一个被吸收

因此,在新系统中,无论有多少光子发送到这样的原子云中,一次只能从另一侧出现

云充当光子的旋转门,迫使混乱的暴民变成有序的个人继承者

没有参与这项研究的苏黎世联邦理工学院物理学教授atac imamoglu说,我认为这项工作是量子光学的真正突破,因为作者意识到了一种诱导单光子之间强相互作用的全新方法

该系统基于一种称为电磁感应透明性(eit)的现象,该现象以前用作减慢光束速度的一种方式

(众所周知,光速不变是由爱因斯坦首先提出的,仅适用于真空中的光

穿过物质的光可以以不同的速度移动

)各个研究小组,包括麻省理和磊科学研究有限公司工学院和哈佛大学的这个团队的成员研究人员在十年前发表的研究结果表明,光甚至单个光子可能会减慢步行速度,甚至完全停止,然后恢复正常速度

通过使聚焦的激光束穿过致密的超冷原子云(在此情况下为rub原子),将其冷却至大约40微开尔文,即比绝对零高出四十分之一的度,可以实现光的减慢

这种云通常对光不透明,但是单独的激光束会产生eit状态,该状态使光子能够以较低的速度通过,同时将原子提升到激发态

处于这种状态(称为里德堡状态)的原子相互作用非常强,这意味着如果第一个光子仍在介质中,则第二个光子不符合eit条件

因此,每当一个光子进入时,它都会穿过暂时透明的介质;当两个或多个进入时,气体再次变得不透明,除了第一个光子外,所有气体都被阻挡

哈佛大学博士后ofer firstenberg说,如果您发送一个光子,它只是通过,但是如果您发送两个或三个,迫使它们挤过激光束的紧密焦点,则只有一个通过

论文合著者

他说,这就像许多沙子流入沙漏,但一次只能通过一个谷物

结果,传统的激光束被发射到该新设备的一端的一束光子从另一端发出,作为单个光子的顺序串

斯坦福大学电气工程学教授和应用物理学名誉教授史蒂芬·哈里斯(stephen harris)与该项目没有任何关系,他说,这些团队的实验比我想像的要好得多

在我看来,这可能是由于附近的里德堡原子之间出乎意料的强大相互作用

他说,这项工作的结果是:非共振单光子物理学第一次成为现实

该技术可用于根据撞击原子的光子数量来改变原子的状态,第二激光束可检测到那些改变后的状态

vuleti说,一个大目标是测量光子而不影响它

我们知道如何检测单个光学光子,但只能通过破坏它们来检测

该技术还应允许您测量光子并保持光子

哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所物理学教授,丹麦量子光学中心主任eugene s. polzik说,论证单光子水平上有效的非线性相互作用是量子信息处理中最重要的目标之一

这项工作是朝着这个方向的令人振奋的新进展

它为光子量子逻辑的新实现铺平了道路

和磊科学研究有限公司

该团队说,该系统可能会导致单光子开关的发展

它也可以用来开发量子逻辑门,这是全光学量子信息处理系统的重要组成部分

原则上,这样的系统在用于通信时可以免受窃听,并且还可以允许更高效地处理某些种类的计算任务

vuleti说,除了潜在的商业应用,该系统还提供了对光与物质之间基本相互作用的新见解

斯坦福·哈里斯(stanfords harris)认为这是一次奇妙而重大的科学进步

这项工作是与哈佛大学的米哈伊尔·卢金斯(mikhail lukins)小组合作进行的,并得到了美国国家科学基金会,麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心以及空军科学研究室量子内存多学科大学研究计划的部分支持

经mit新闻许可转载

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