激光环充当机械弹簧，可在一定距离上耦合量子系统

激光回路将纳米机械膜的振动与原子云的自旋连接起来。

量子技术目前是全球最活跃的研究领域之一。它利用原子，光或纳米结构的量子力学状态的特殊性质来开发例如用于医学和导航的新型传感器，用于信息处理的网络以及用于材料科学的强大仿真器。产生这些量子态通常需要所涉及的系统之间的强相互作用，例如几个原子或纳米结构之间的强相互作用。

但是，到目前为止，足够强的交互作用仅限于短距离。通常，两个系统必须在低温下或在同一真空室中彼此靠近放置在同一芯片上，在这两个系统中，它们通过静电力或静磁力相互作用。但是，对于许多应用（例如量子网络或某些类型的传感器），需要将它们跨较大的距离耦合。

由巴塞尔大学物理系的Philipp Treutlein教授和瑞士纳米科学研究所（SNI）领导的一组物理学家，现在已经成功地在距离整个房间更远的两个系统之间建立了强大的耦合。温度环境。在他们的实验中，研究人员使用激光将100纳米薄膜的振动与原子自旋的运动耦合在一米的距离上。结果，膜的每次振动都会使原子自旋，而反之亦然。

光环起着机械弹簧的作用

实验基于研究人员与汉诺威大学的理论物理学家Klemens Hammerer教授共同开发的概念。它涉及在系统之间来回发送激光束。“光的行为就像是在原子和膜之间伸展的机械弹簧，并在两者之间传递力。”托马斯·卡格博士解释说，他在巴塞尔大学的博士论文中进行了该实验。在此激光环路中，可以控制光的属性，以使有关这两个系统的运动的信息不会丢失到环境中，从而确保不干扰量子力学相互作用。

现在，研究人员首次成功地通过实验实现了这一概念，并将其用于一系列实验中。Treutlein解释说：“量子系统与光的耦合非常灵活且用途广泛。”“我们可以控制系统之间的激光束，这使我们能够生成对量子传感器有用的不同类型的相互作用。”

量子技术的新工具

除了将原子与纳米机械膜耦合外，新方法还可以用于其他几种系统中。例如，当耦合用于量子计算研究中的超导量子位或固态自旋系统时。光介导耦合的新技术可用于互连此类系统，从而创建用于信息处理和模拟的量子网络。Treutlein坚信：“对于我们的量子技术工具箱，这是一个非常有用的新工具。”

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参考：Thomas M. Karg，Baptiste Gouraud，Chun Tat Ngai，Gian-Luca Schmid，Klemens Hammerer和Philipp Treutlein的“机械振荡器与原子自旋之间的光介导的强耦合”，2020年5月7日，科学。DOI：
10.1126 / science.abb0328

由巴塞尔研究人员进行的实验是由欧洲研究委员会（作为MODULAR项目的一部分）和SNI​​博士学校资助的。