科学家们迈向完美量子超材料的重大飞跃

科学家们已经设计出一种方法来构建一种“量子超材料” - 一种具有外来物质特性的工程材料 - 使用被光线组成的人造晶体中的超冷原子。理论工作代表了操纵原子传输信息，执行复杂模拟或作为强大传感器发挥作用的一步。

由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的科学家领导的研究小组提出使用类似手风琴的原子框架或“晶格”结构，用激光制造以定期捕获原子间隔纳米级口袋。这种基于光的结构具有在某些方面类似于晶体的图案化特征，基本上是“完美的”结构 - 没有天然材料中发现的典型缺陷。

研究人员相信，他们可以精确定位所谓的“探测”原子在这个光晶体中的位置，并用另一种类型的激光(近红外光)主动调整其行为，使原子咳出一些能量。以光或光子的形式需求。

反过来，这个光子可以被另一个探针原子(在相同或不同的晶格位置)吸收，这是一种简单形式的信息交换 - 就像在两个串连接的锡罐之间传播的口头语言一样。

“我们的建议非常重要，”伯克利实验室材料科学部主任张翔说，他领导了相关研究论文，发表于4月份的“ 物理评论快报”。“我们知道单光子发射的增强和超快控制是量子技术的核心，特别是量子信息处理，这正是我们在这里取得的成果。以前的建议可以同时进行，但不能同时进行。“

Zhang还是加州大学伯克利分校的教授，国家科学基金会可扩展和集成纳米制造中心的主任，以及伯克利实验室和加州大学伯克利分校Kavli能源纳米科学研究所的成员。

加州大学伯克利分校博士后研究员Pankaj K. Jha是该论文的主要作者并在张氏小组工作，他说：“现在我们可以控制光子释放的速度，因此我们可以更快地光学处理信息， “有效地将其从一个点转移到另一个点。”为此工作做出贡献的其他科学家包括Michael Mrejen，Jeongmin Kim，Chihhui Wu，Yuan Wang和Yuri V. Rostovtsev。

这种以快速释放光子并以低损耗从一个原子传输到另一个原子的能力是处理量子计算信息的关键步骤，量子计算可以使用这些受控光子释放的阵列进行复杂的计算。比现代计算机更快。

量子计算机是科技行业和科学界的热门追求，因为它有可能执行比使用现代超级计算机更复杂的计算，可以利用普通物理规则不适用的奇异量子领域。

虽然今天的计算机可以将信息存储为二进制位 - 无论是1还是零 - 量子计算器将使用“量子位”，其中单个位信息可以同时存在于多个状态中。这些量子比特可以采用原子，光子，电子的形式，甚至可以作为粒子的单个基本属性，并且可以指数地增加计算机瞬间执行的计算次数。

Jha说，人造晶体中超冷原子的不均匀分布是这项最新研究的关键。“这对于创造'完美'无损且可重构的量子超材料至关重要，”他说，允许人造晶体的光学结构从开放的几何形状(双曲线形)重新配置为封闭的(椭圆形)。相同的频率和超快时序。这种可控的形状变化极大地改变了人造晶体中的探针原子释放光子的速度。

最新的提议表明，有可能加快探测原子从纳秒或十亿分之一秒到皮秒或万亿分之一秒发射光子的速率。此外，这个过程重要地被认为是“无损耗的”，这意味着光子不会像传统材料那样将任何能量丢失到周围的结构中。这克服了量子计算和信息处理的一个障碍。

种植在人造水晶中的原子也可能被诱导从一个地方跳到另一个地方。在这种情况下，原子本身可以作为量子计算机中的信息载体，或者被安排为量子传感器，Jha说。

Jha指出，这项最新研究将超材料研究与“冷原子”科学结合起来，后者是使用激光减速甚至停止使用激光的原子，激光在此过程中将它们冷却到过冷温度。他说：“这种集成解决了超材料平台的一些突出挑战，并且在量子技术关键的几个关键方面优于其他设计。”

研究人员发现铷原子非常适合这项研究，但钡，钙和铯原子也可以被捕获或种植在人造晶体中，因为它们表现出相似的能量水平。虽然研究中使用的人造晶体被描述为一维的，但Jha说同样的方法可以很容易地扩展到光外产生二维和三维量子超材料晶体结构。

为了在实际实验中实现所提出的超材料，Zhang和Jha说研究小组需要在人造晶体中每个晶格位置捕获几个原子，并且即使当它们被激发到更高能态时也将这些原子保持在晶格中。

张说，“伯克利实验室一直是超材料领域开创性研究的领导者，这项工作可以开启量子光物质相互作用机会的新领域，在量子信息科学中具有诱人的应用。”

Jha补充说：“我们相信，这两个当代科学领域的结合将有助于解决这两个领域的关键挑战，并在量子光子学和人造材料的界面上开辟一个全新的研究方向。”