激光回路实现量子系统强耦合 为量子传感器开辟新的可能性

由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所(SNI)的Philipp Treutlein教授领导的一个物理学家团队,目前首次成功地在室温环境中,在更大距离上建立了两个系统之间的强耦合。

  5月13日消息,据悉,研究人员首次成功地在遥远的距离上建立了量子系统之间的强耦合。他们用一种新的方法实现了这一点,在这种方法中,一个激光回路连接了系统,使得信息几乎可以无损地交换,并且它们之间有很强的相互作用。巴塞尔大学和汉诺威大学的物理学家在《科学》杂志上报告说,这种新方法为量子网络和量子传感器技术开辟了新的可能性。

激光回路将纳米机械膜的振动与原子云的自旋连接起来。图片来源:巴塞尔大学物理系.jpg

  量子技术是目前世界上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,开发出新型的医学和导航传感器、信息处理网络和强大的材料科学模拟器。产生这些量子态通常需要相关系统之间的强相互作用,例如几个原子或纳米结构之间的相互作用。

  然而,到目前为止,足够强的相互作用仅限于短距离。通常,两个系统必须在低温下放置在同一个芯片上,或放置在同一个真空室中,它们通过静电或静磁力相互作用。但是,对于许多应用,如量子网络或某些类型的传感器,需要将它们耦合到更大的距离。

  由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所(SNI)的Philipp Treutlein教授领导的一个物理学家团队,目前首次成功地在室温环境中,在更大距离上建立了两个系统之间的强耦合。在他们的实验中,研究人员利用激光将100纳米薄膜的振动与原子在一米距离内的自旋运动耦合起来。因此,膜的每一次振动都会使原子的自旋运动,反之亦然。

  托马斯卡尔格博士解释道:“这个实验是基于研究人员和汉诺威大学的理论物理学家克莱门斯哈默教授共同开发的一个概念。它包括在两个系统之间来回发射一束激光。然后,光的行为就像一个拉伸在原子和膜之间的机械弹簧,并在原子和膜之间传递力。在这个激光回路中,可以控制光的性质,使得没有关于两个系统运动的信息丢失到环境中,从而确保量子力学相互作用不受干扰。”

  研究人员现在首次成功地在实验上实现了这一概念,并将其用于一系列实验。

  特雷特林解释说:“量子系统与光的耦合是非常灵活和多用途的,例如,我们可以控制系统之间的激光束,从而产生对量子传感器有用的不同类型的相互作用。”

  除了将原子与纳米机械膜耦合外,这种新方法还可用于其他一些系统中,例如,当耦合用于量子计算研究的超导量子比特或固态自旋系统时,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。

  特鲁特林确信:“这是一个新的、对我们的量子技术工具箱非常有用的工具。”

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