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芝加哥大学科学家发明了“量子笛子”，可以使光粒子一起移动
指南者留学 2022-07-05 15:08:56
阅读量：1359
突破可能为新的量子技术指明道路
芝加哥大学物理学家的一项新的“量子长笛”实验可以为新的量子技术指明道路。这些孔产生不同的波长，类似于长笛上的“音符”，可用于编码量子信息。
芝加哥大学的物理学家发明了一种“量子笛”，就像Pied Piper一样，它可以以前所未有的方式强制光粒子一起移动。
在《物理评论快报》和《Nature Physics》上发表的两项研究中，这一突破可能为在量子计算机中实现量子记忆或新形式的纠错，以及观察自然界中看不到的量子现象指明了道路。
照片由舒斯特实验室提供
副教授David Schuster的实验室研究量子比特 - 相当于计算机比特的量子 - 利用粒子在原子和亚原子水平上的奇怪特性来做本来不可能的事情。在这个实验中，他们正在处理微波光谱中被称为光子的光粒子。
他们设计的系统由一个由单个金属块制成的长腔组成，旨在捕获微波频率的光子。腔体是通过钻偏移孔（如凹槽上的孔）制成的。
“就像在乐器中一样，”舒斯特说，“你可以在整个物体上发送一个或多个波长的光子，每个波长都会产生一个'音符'，可以用来编码量子信息。然后，研究人员可以使用主量子位（一种超导电路）来控制“音符”的相互作用。
但他们最奇怪的发现是光子一起表现的方式。
在自然界中，光子几乎从不相互作用 - 它们只是相互传递。通过艰苦的准备，科学家有时可以促使两个光子对彼此的存在做出反应。
“在这里，我们做了一些更奇怪的事情，”舒斯特说。“起初，光子根本不相互作用，但是当系统中的总能量达到临界点时，突然之间，它们都在相互交谈。
在实验室实验中，让这么多光子彼此“交谈”是非常奇怪的，就像看到一只猫用后腿走路一样。
“通常，大多数粒子相互作用是一对一的 - 两个粒子相互反弹或吸引，”Schuster说。“如果你添加第三个，他们通常仍然与一个或另一个按顺序交互。但这个系统让它们同时相互作用。
“就像在乐器中一样...每个波长都会产生一个可用于编码量子信息的'音符'。
—副教授大卫·舒斯特
他们的实验一次只测试了多达五个“音符”，但科学家们最终可以想象通过一个量子位运行数百或数千个音符来控制它们。Schuster说，对于像量子计算机这样复杂的操作，工程师希望尽可能地简化，“如果你想建造一台1000位的量子计算机，你可以通过一个比特控制所有这些计算机，那将是非常有价值的。
研究人员也对这种行为本身感到兴奋。没有人在自然界中观察到这样的相互作用，所以研究人员也希望这一发现能够有助于模拟在地球上甚至看不到的复杂物理现象，甚至可能包括黑洞的一些物理学。
除此之外，实验也很有趣。
“通常，量子相互作用发生在长度和时间尺度上，太小或太快而无法看到。在我们的系统中，我们可以测量任何音符中的单个光子，并观察相互作用发生时的效果。“看到”与眼睛的量子相互作用真的非常整洁，“芝加哥大学博士后研究员Srivatsan Chakram说，他是该论文的共同第一作者，现在是罗格斯大学的助理教授。
芝加哥大学David Schuster实验室的成员。 照片由舒斯特实验室提供
研究生Kevin He是该论文的另一位第一作者。其他合著者是研究生Akash Dixit和Andrew Oriani;前芝加哥大学学生Ravi K. Naik（现就职于加州大学伯克利分校）和Nelson Leung（现就职于Radix Trading）;博士后研究员马文龙（现就职于中国科学院半导体研究所）;普利兹克分子工程学院蒋亮教授;以及韩国三星先进技术研究院的访问研究员Hyeokshin Kwon。
舒斯特是詹姆斯·弗兰克研究所和普利兹克分子工程学院的成员。研究人员使用芝加哥大学的普利兹克纳米制造设施来生产这些设备。
引文：“多模光子封锁”。Chakram and He等人，Nature Physics，2022年6月23日。
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