新型纳米光子电路显示量子网络潜力

  美国普渡大学团队将碱金属原子（铯）捕获在集成光子电路中，可充当光子（光的最小能量单位）的晶体管。这些被“捉”到的原子，首次展示了冷原子集成纳米光子电路构建量子网络的潜力。研究成果发表在最新一期《物理评论X》上。

  新开发的技术利用激光冷却并捕获了集成纳米光子电路中的原子。光在一条细小的光子“线”（比人类发丝的1/200还细的波导）中传播。这些原子被冻结到零下273.15摄氏度，基本上处于静止状态。在这种低温下，原子可被瞄准光子波导的牵引光束捕获，并被放置在比光的波长短得多的距离上（大约300纳米）。在这个距离内，原子可非常有效地与光子波导中的光子“互动”。

  利用最先进的纳米制造仪器，团队将光子波导设计成直径约为30微米的圆形结构，形成所谓的微环谐振器。光将在微环谐振器内循环，并与被捕获的原子相互作用。

  这种原子耦合微环谐振器就像光子的晶体管。人们可使用这些被“捉”到的原子来控制光通过电路的流动。如果原子处于正确的状态，光子就可通过电路传输。如果原子处于另一种状态，光子就会被完全阻挡。原子与光子的相互作用越强，这个通过和阻挡的“门”就越有效。

  团队捕获了多达70个原子，让它们全部耦合到光子并在集成光子芯片上控制它们的传输，这些原子实现了“集体”高强度与光相互作用。

  这一研究结果可为未来基于中性原子的分布式量子计算提供光子链路。还可作为研究光物质相互作用或超冷分子的新实验平台。

  就像划船一样，与不同步运动相比，当所有人同步划船时，船的移动速度更快。这是科学家致力于让原子集体与光子波导上的光相互作用的原因。在这一成果基础上，科学家将构建出第一个纳米光子平台，以实现近年来理论家提出的所谓“选择性辐射”，提高量子系统中光子存储的保真度，为量子网络的进一步实用铺路。（记者 张梦然）