研究人员首次室温环境下实现激光回路远距离耦合量子系统

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属性,开发出了诸如医学和导航用的新型传感器、信息处理网络和材料科学的强大模拟器等。这些量子态的产生通常需要相关系统之间的强烈相互作用,如多个原子或纳米结构之间的相互作用。

然而,直到现在,足够强的相互作用还被限制在短距离内。通常情况下,两个系统必须在低温下放置在同一芯片上,或放置在同一真空室中,通过静电或磁力相互作用。然而,在许多应用中,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上。

现在,由巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所(SNI)的物理学家团队,首次成功地在室温环境下,在更大距离上建立两个系统之间产生了强耦合。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自旋运动耦合在一米的距离上。结果,膜的每一次振动都会导致原子自旋运动,反之亦然。

研究人员首次实现室温环境下激光回路远距离耦合量子系统
激光回路将纳米机械膜振动与原子云自旋连接起来

该实验是基于研究人员与汉诺威大学的理论物理学家Klemens Hammerer教授共同提出的概念。它包括在系统之间来回发送一束激光光束。”然后,光的行为就像在原子和膜之间拉伸的机械弹簧,在两者之间传递力。”托马斯-卡格博士解释说,他在巴塞尔大学的博士论文中进行了这项实验。在这种激光环路中,可以控制光的特性,使两个系统的运动信息不会丢失到环境中,从而确保量子力学相互作用不受干扰。

目前,研究人员首次成功地在实验上实现了这一概念,并在一系列实验中得到了应用。”量子系统与光耦合是非常灵活和多功能的,”Treutlein解释说。”我们可以控制系统之间的激光光束,这让我们可以产生不同类型的相互作用,比如说量子传感器等,这对量子传感器非常有用。”

量子技术的新工具

除了将原子与纳米膜耦合外,新方法还可能用于其他几个系统;例如,在耦合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这类系统的互连,创建用于信息处理和模拟的量子网络。Treutlein对此深信不疑。”这是量子技术工具中的一个新的、非常有用的工具。”

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