科学家证明原子可以共同工作以共享光

一维“波导”或传输线旁边的人造原子或“量子位”的图示。插图由Arjan van Loo提供

在一项新发表的研究中，科学家们显示了局限在一维量子系统中的人造原子之间的“光子介导的相互作用”。

一个国际科学家团队首次展示了原子可以共同工作而不是彼此独立地共享光。

量子物理学家很久以来就讨论过这种效应，但是在实验中却从未见过。

该团队包括进行实验的瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZürich）的科学家以及魁北克舍布鲁克大学和卡尔加里大学的理论科学家。

研究人员表明，局限在一维量子系统中的人造原子之间共享光或“光子介导的相互作用”。

他们的论文“遥远的人造原子之间的光子介导的相互作用”本周在《科学》杂志上发表。

研究表明，长期存在的理论是准确的

物理与天文学系研究员，iCORE量子信息科学系主任巴里·桑德斯（Barry Sanders）说：“这种影响已经讨论了数十年，我们发现它在理论和实验之间有着极好的一致性。”

第一作者苏黎世联邦理工学院量子设备实验室的博士生Arjan van Loo说：“这两个人造原子“显示出一种连贯的交换相互作用，这是开放环境中遥远的量子系统以前所没有的”。

在一维中实现单个量子系统之间的基本量子相互作用对于推进基于量子的设备至关重要。

ETH固态物理学教授安德烈亚斯·沃拉夫（Andreas Wallraff）说：“我们这样的系统有望在沿着量子通信处理设备上使用的量子通信线路[一维波导]路由量子信息时发挥作用。”苏黎世。

人造电路可以设计成表现出不自然但有用的行为

这项研究表明，“现在可以对人造电路进行设计，使其表现出在'自然'量子系统中不可能发生的行为，”合著者，布鲁克大学物理学副教授亚历山大·布莱斯说。

卡尔加里大学量子科学与技术研究所所长桑德斯说，让人造原子共同工作可能会导致控制超导电路中的微波场，并带来好处，包括保护量子信息免受“噪声”或信号损害的方法。 。“我认为我们展示的内容对于未来的应用将至关重要。”

研究小组采用这种方法的关键是在一维而非三维进行实验，因为原子之间的相互作用较弱并且随着距离的增加而显着下降，因此无法进行三维实验。

“在我们的实验中，我们特别设计了人工量子系统的关键特性，从而超越了这些限制。”实验完成时，苏黎世联邦理工学院的博士后Arkady Fedorov说，他现在是ARC中心的组长。澳大利亚昆士兰大学工程量子系统卓越奖。

一维环境是研究发现的关键

研究人员使用波导将两个人造原子限制在一个维度上（类似于将光限制在光纤中），这大大增加了两个系统相互作用的可能性，并使研究人员能够测量这种相互作用。

利用超导电路，该团队能够将两个人造原子放在波导旁边，然后通过该一维波导发送微波场。

由于光子（光的“粒子”）的交换，两个类似原子的系统相距约2厘米（远比通常的量子系统预期的距离大）形成一种弱结合的分子。

“我们还观察到超导电路如何同步以更有效地发射辐射以显示超辐射（非常明亮的辐射源），或者如何捕获电路的辐射，使两个系统变暗，因为它们不再发射光子，” Wallraff说。

加拿大的理论家使用了“ Mammouth”超级计算机，该计算机是由Compute Canada协调的国家高性能计算平台的一部分，用于求解解析方程。他们的合著者，谢布鲁克大学物理学博士学位的凯文·拉卢米埃（KevinLalumière）说：“他们还与实验人员进行了大量合作，以直观地了解正在发生的物理学。”

加拿大高级研究所，加拿大自然科学和工程理事会，苏黎世联邦理工学院和艾伯塔省创新技术期货公司为这项研究提供了资金支持。

出版物：Arjan F. van Loo等人，“遥远的人造原子之间的光子介导的相互作用”，《科学》，2013年11月； DOI：10.1126 / science.1244324

图像：Arjan van Loo