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研究人员发现了可调谐的双光子粒子

2021-5-14 09:41| 发布者: vantsing| 查看: 1537| 评论: 0

摘要: 一项新技术看到两个不同的光粒子进入芯片,两个完全相同的孪生光粒子离开芯片。这幅图像艺术地结合了光的孪生粒子沿着环形棋盘外缘的旅程及其拓扑基础的抽象形状。同卵双胞胎似乎“难以区分”,但在量子世界里,这个 ...

一项新技术看到两个不同的光粒子进入芯片,两个完全相同的孪生光粒子离开芯片。这幅图像艺术地结合了光的孪生粒子沿着环形棋盘外缘的旅程及其拓扑基础的抽象形状。


同卵双胞胎似乎“难以区分”,但在量子世界里,这个词有了新的含义。虽然同卵双胞胎有许多共同的特点,但宇宙将两个无法区分的量子粒子视为本质上可以互换的。这为无法区分的粒子以独特的方式相互作用打开了大门,比如量子计算机所需要的量子干涉。


虽然产生一群光子和光的粒子就像拨动光开关一样简单,但制造一对无法区分的光子却更为棘手。而要赋予这对粒子一种称为纠缠的量子力学联系,还需要更多的工作。在2021510日发表在《自然光子学》杂志上的一篇论文中,JQI的研究人员和他们的同事描述了一种新的方法,利用一种方便地封装在芯片上的方法来制造纠缠的双光粒子并调整它们的性质,这对于需要可靠的定制光子对源的量子技术来说是一个潜在的福音。


JQI研究员Mohammad Hafezi领导的研究人员设计了这个方法来利用拓扑物理学的优势。拓扑物理学利用拓扑学的数学领域来探索以前未被开发的物理现象,它描述了不同形状的共同特征(当几何学关注角度和大小时,拓扑学更多的是关于空穴和穿孔的,不依赖于局部细节的包罗万象的特性。)研究人员通过应用这种方法取得了几项重大发现,这种方法描述了量子粒子如何与电子相似,或者,在这种情况下,光子可以在一种特定的材料或设备中移动,方法是通过对应于抽象形状(如上图中的甜甜圈)的拓扑特征透镜分析其广泛的特性。所揭示的拓扑现象与材料的一般性质直接相关;它们必须存在,即使在材料杂质的存在,这将破坏光子或电子在大多数其他情况下的平稳运动。


他们的新方法建立在先前工作的基础上,包括产生一系列可分辨的光子对。在新的和旧的实验中,研究小组在硅片上制作了一个棋盘形的环。每个光环都是一个谐振器,它的作用就像一个微小的赛道,用来让某些光子长时间不停地来回传播。但是,由于谐振器中的单个光子遵循量子规则,赛车(光子)有时可以不改变地穿过中间的墙壁,沿着相邻的轨道继续加速。


环的重复网格模拟了电子在固体中穿过的原子的重复网格,使研究人员能够设计出反映电子学中众所周知的拓扑效应的光的情况。通过创建和探索不同的拓扑环境,该团队开发了操纵光子的新方法。


JQI博士后研究员、论文第一作者Sunil Mittal说:“这与应用于电子和光子的数学完全相同。”所以你或多或少都得到了相同的拓扑特征。你对电子所做的所有数学运算,都可以简单地运到光子系统中去。”


在目前的工作中,他们重新创造了一种称为反常量子霍尔效应的电子现象,这种现象为材料边缘的电子开辟了路径。这些边缘路径(称为拓扑边缘状态)是由于拓扑效应而存在的,它们可以可靠地传输电子,同时使穿过内部的路径容易被破坏和无法通行。要实现这种特殊的拓扑效应,就需要局域磁场推动电子,并且当在材料的较大截面上平均时,总磁场抵消为零。


但是光子缺少使电子易受磁推力影响的电荷,因此研究小组不得不以其他方式重新产生磁推力。为了实现这一点,他们布置了轨道,这样光子就更容易在环之间以量子力学的方式向特定方向跳跃。这模拟了丢失的磁场影响,并创建了一个具有光子版本的反常量子霍尔效应及其稳定的边缘路径的环境。


在这个实验中,研究小组将两种不同颜色(频率)的激光束送入这个精心设计的环境中。在谐振器内,每一束光的一个光子自发地结合在一起。研究人员随后观察了光子如何转化成两个无法区分的光子,穿过拓扑边缘路径,最终从芯片中弹出。


由于新的光子在谐振器环内形成,因此它们具有谐振器设计用来容纳光子的特性(偏振和空间模式)。团队唯一需要担心的是他们的频率。


研究人员根据两个激光器在硅谐振器中的组合方式,为它们选择合适的输入频率,从而匹配光子的频率。有了对实验的适当理论理解,它们可以产生量子力学上无法区分的光子。


新光子形成的性质提供了所需的量子特性。光子是以量子力学的方式纠缠在一起的,因为它们是成对产生的;它们的组合性质,如对的总能量,受到原始光子带入混合物的物质的限制,因此观察一个光子的性质可以立即揭示另一个光子的等效事实。在它们被观察到之前,也就是说,研究人员发现它们并不是作为两个单独的粒子存在的,因为它们的频率具有不同的量子态。相反,它们是可能的频率状态的完全相同的混合物,称为叠加。这两个光子无法区分意味着它们可以通过量子力学相互干扰。


由此产生的不可区分和纠缠的结合对于光子在量子技术中的许多潜在用途至关重要。研究人员拓扑方法的另一个幸运的副作用是,它使他们能够根据注入芯片的频率以及频率与设备边缘拓扑状态的匹配程度,更好地调整双光子的频率。


“这不是产生纠缠光子对的唯一方法还有许多其他的装置,但它们是不可调的,”米塔尔说所以一旦你制造了你的设备,它就是这样。如果你想改变光子的带宽或者做其他事情,这是不可能的。但在我们的情况下,我们不需要设计新的设备。我们表明,只要调整泵浦频率,我们就可以调整干涉特性。所以,这非常令人兴奋。”


作者说,这种器件的可调性和对制造缺陷的鲁棒性使其成为实际应用的一个有吸引力的选择。该团队计划继续探索这项技术和相关拓扑器件的潜力,以及进一步改进器件的可能方法,例如使用其他材料制造。


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