科学家已经成功地利用微观腔体创造了一种有效的量子力学光物质界面。在这个腔中，一个单光子被一个人造原子发射和吸收多达10次。巴塞尔大学和波鸿鲁尔大学的物理学家在《自然》期刊上发表了期研究发现，这为量子技术开辟了新的前景。量子物理学将光子描述为光粒子，由于原子的微小尺寸，实现单个光子和单个原子之间的相互作用是一个巨大挑战。
然而，通过镜面多次发送光子经过原子会显著增加相互作用的概率。为了产生光子，研究人员使用被称为量子点的人造原子。这些半导体结构由数以万计的原子累积而成，但其行为与单个原子非常相似：当它们受到光学激发时，它们的能态发生变化，并发出光子。巴塞尔大学物理系进行实验的Daniel Najer博士说：然而，它们具有技术优势，可以嵌入到半导体芯片中。
量子点和微腔系统
正常情况下，这些轻粒子像灯泡一样向四面八方飞去。然而，在实验中，研究人员将量子点放置在具有反射壁的腔中。弯曲的镜子将发射的光子来回反射多达10000次，导致光和物质之间的相互作用。测量表明，单个光子被量子点发射和吸收多达10次。在量子水平上，光子被转换成人工原子的更高能态，在这一点上产生一个新的光子。而且这发生得非常快，这在量子技术应用方面是非常可取的：一个周期只持续200皮秒。
光与物质的串行相互作用
巴塞尔大学物理系的理查德·J·沃伯顿(Richard J.Warburton)教授说：能量量子从量子点到光子的转换在理论上得到了很好的支持，但“以前没有人如此清楚地观察到这些振荡”。这个成功的实验特别有意义，因为在自然界中没有直接的光子-光子相互作用。然而，在量子信息处理中需要使用受控的相互作用。根据量子物理定律，通过将光转化为物质，各个光子之间的相互作用变得间接可能。
即通过光子和量子点中捕获的单个电子自旋之间纠缠的迂回。如果涉及到几个这样的光子，量子门可以通过纠缠光子产生。这是产生光子量子比特的关键一步，光子量子比特可以通过光粒子的量子态来存储信息，并将其传输到很远的距离。实验在光学频率范围内进行，对腔的大小(必须与波长相适应)和反射镜的反射率提出了很高技术要求，以便光子尽可能长地留在腔中。
博科园｜研究/来自：巴塞尔大学
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-019-1709-y
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