原子之间的“呼吸”——量子技术的新基石

华盛顿大学的研究人员发现，通过观察原子在受到激光刺激时发出的光的类型，他们可以探测到原子的“呼吸”，即两层原子之间的机械振动。这种原子“呼吸”的声音可以帮助研究人员编码和传输量子信息。

研究人员还开发了一种设备，可以作为量子技术的新型构建块，人们普遍预计量子技术将在计算、通信和传感器开发等领域有许多未来的应用。

研究人员将这些发现发表在6月1日的《自然纳米技术》杂志上。

“这是一个新的，原子尺度的平台，使用了科学界所谓的‘光力学’，其中光和机械运动本质上是耦合在一起的，”资深作者莫·李说，他是华盛顿大学电气、计算机工程和物理学教授。“它提供了一种新型的涉及量子效应，可用于控制通过集成光学电路的单光子，用于许多应用。”

此前，该团队研究了一种被称为“激子”的量子级准粒子。信息可以被编码成激子，然后以光子的形式释放出来——光子是一种微小的能量粒子，被认为是光的量子单位。发射的每个光子的量子特性——比如光子的偏振、波长和/或发射时间——可以作为量子信息的一个量子比特，或“量子位”，用于量子计算和通信。因为这个量子比特是由光子携带的，所以它以光速传播。

该研究的主要作者、华盛顿大学物理学博士生阿迪娜·里平(Adina Ripin)说:“从总体上看，要想切实建立一个量子网络，我们需要有可靠的方法来创建、操作、存储和传输量子比特。”“光子是传输量子信息的自然选择，因为光纤使我们能够以高速长距离传输光子，而能量或信息的损失很低。”

研究人员正在研究激子，以创造一个单一的光子发射器，或“量子发射器”，这是基于光和光学的量子技术的关键组成部分。为了做到这一点，该团队将两层被称为二硒化钨的钨和硒原子放在彼此的顶部。

当研究人员应用精确的激光脉冲时，他们将二硒化钨原子的电子从原子核中撞开，从而产生了激子准粒子。在二硒化钨的一层上，每个激子由一个带负电的电子和一个带正电的空穴组成。由于相反的电荷相互吸引，电子和每个激子中的空穴紧密地结合在一起。过了一小会儿，当电子回到它之前占据的空穴时，激子发射出一个带有量子信息编码的光子，从而产生了研究小组想要创造的量子发射器。

但研究小组发现，二硒化钨原子正在发射另一种类型的准粒子，称为声子。声子是原子振动的产物，类似于呼吸。在这里，二硒化钨的两个原子层就像相互振动的小鼓面，产生声子。这是第一次在这种二维原子系统的单光子发射器中观察到声子。

当研究人员测量发射光的光谱时，他们注意到几个等间隔的峰。激子发射的每一个光子都与一个或多个声子耦合。这有点类似于一次一阶地攀登量子能量阶梯，在光谱上，这些能量峰值在视觉上由等间隔的峰值表示。

“声子是二硒化钨材料的自然量子振动，它具有垂直拉伸两层中的激子-电子-空穴对的效果，”李说，他也是华盛顿大学量子x指导委员会的成员，也是纳米工程系统研究所的教员。“这对激子发射的光子的光学特性有非常强的影响，这是以前从未报道过的。”

研究人员很好奇他们是否能将声子用于量子技术。他们施加电压，发现它们可以改变相关声子的相互作用能量，并发射光子。通过将量子信息编码成单个光子发射的方式，这些变化是可测量和可控的，这一切都是在一个集成系统中完成的——一个只涉及少量原子的设备。

接下来，该团队计划在芯片上建造一个波导——光纤，它可以捕捉单个光子的发射，并将它们引导到需要的地方——然后扩大系统的规模。该团队希望能够控制多个发射体及其相关声子态，而不是一次只控制一个量子发射体。这将使量子发射器能够相互“交谈”，这是为量子电路建立坚实基础的一步。

“我们的首要目标是创建一个集成系统，量子发射器可以使用单个光子通过光学电路和新发现的声子进行量子计算和量子传感，”李说。“这一进展肯定会为这一努力做出贡献，它有助于进一步发展量子计算，未来量子计算将有许多应用。”

其他共同作者有彭若明、张晓伟、Srivatsa Chakravarthi、何敏浩、徐晓东、付凯梅和曹婷。

更多信息:激子量子发射体中的可调谐声子耦合，Nature Nanotechnology(2023)。DOI: 10.1038/s41565-023-01410-6, www.nature.com/articles/s41565-023-01410-6

期刊信息:Nature Nanotechnology