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推進(jìn)量子信息科學(xué)與技術(shù)(QIST)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的發(fā)展伴隨著一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和任何新興技術(shù)所共有的挑戰(zhàn)。紐約州立大學(xué)石溪分校的研究人員在Dominik Schneble博士的領(lǐng)導(dǎo)下，報(bào)告了物質(zhì)波極子在光學(xué)晶格中的形成，這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)允許通過使用超冷原子的直接量子模擬來研究QIST的一個(gè)核心范式?？茖W(xué)家們預(yù)計(jì)，他們的新型準(zhǔn)粒子，模擬了材料和設(shè)備中的強(qiáng)相互作用的光子，但規(guī)避了一些固有的挑戰(zhàn)，將有利于QIST平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展，這些平臺(tái)有望徹底改變計(jì)算和通信技術(shù)。
研究結(jié)果詳見發(fā)表在《自然-物理》雜志上的一篇論文。該研究揭示了基本的偏振子特性和相關(guān)的多體現(xiàn)象，并為偏振子量子物質(zhì)的研究提供了新的可能性。
使用基于光子的QIST平臺(tái)的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是，雖然光子可以成為量子信息的理想載體，但它們通常不相互作用。這種相互作用的缺失也抑制了它們之間量子信息的可控交換?？茖W(xué)家們通過將光子與材料中較重的激發(fā)物耦合，從而形成極子，即光與物質(zhì)之間的類似嵌合體的混合體，找到了解決這一問題的方法。這些較重的準(zhǔn)粒子之間的碰撞使光子能夠有效地相互作用。這可以實(shí)現(xiàn)基于光子的量子門操作，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)QIST基礎(chǔ)設(shè)施。
然而，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是這些基于光子的偏振子的壽命有限，因?yàn)樗鼈兣c環(huán)境的輻射耦合導(dǎo)致了不可控的自發(fā)衰變和退相干。
根據(jù)Schneble及其同事的說法，他們發(fā)表的極光子研究完全規(guī)避了自發(fā)衰變?cè)斐傻倪@種限制。他們的偏振子的光子方面完全由原子物質(zhì)波來承載，對(duì)其來說，這種不需要的衰變過程并不存在。這一特點(diǎn)打開了進(jìn)入?yún)?shù)體系的通道，而這些參數(shù)體系在基于光子的偏振子系統(tǒng)中是不存在的，或者說還沒有進(jìn)入。
“量子力學(xué)的發(fā)展在上個(gè)世紀(jì)占據(jù)了主導(dǎo)地位，現(xiàn)在全球范圍內(nèi)正在進(jìn)行一場(chǎng)朝著QIST及其應(yīng)用發(fā)展的‘第二次量子革命’，包括在IBM、Google和亞馬遜等公司，”文理學(xué)院物理和天文學(xué)系教授Schneble說。“我們的工作強(qiáng)調(diào)了一些基本的量子力學(xué)效應(yīng)，這些效應(yīng)對(duì)QIST中出現(xiàn)的光子量子系統(tǒng)很有意義，包括半導(dǎo)體納米光子學(xué)和電路量子電動(dòng)力學(xué)。”
紐約州立大學(xué)石溪分校的研究人員在一個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行了他們的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)平臺(tái)的特點(diǎn)是超冷原子在一個(gè)光學(xué)晶格中，這是一個(gè)由光的駐留波形成的蛋殼狀的潛在景觀。他們使用一個(gè)具有各種激光器和控制場(chǎng)并在納開爾文溫度下運(yùn)行的專用真空設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)場(chǎng)景，其中被困在晶格中的原子用由脆弱的、蒸發(fā)的物質(zhì)波組成的真空激發(fā)云“打扮”自己。
研究小組發(fā)現(xiàn)，作為一個(gè)結(jié)果，極化粒子變得更加靈活。研究人員能夠通過輕輕搖晃晶格直接探測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而獲得物質(zhì)波和原子晶格激發(fā)的貢獻(xiàn)。當(dāng)單獨(dú)放置時(shí)，物質(zhì)波偏振子在晶格中跳躍，相互作用，并形成穩(wěn)定的準(zhǔn)粒子物質(zhì)相。
Schneble解釋說：“通過我們的實(shí)驗(yàn)，我們?cè)谝粋€(gè)新的體系中對(duì)激子-極子系統(tǒng)進(jìn)行了量子模擬。尋求進(jìn)行這樣的‘模擬’仿真，而且是‘模擬’，即相關(guān)的參數(shù)可以自由撥動(dòng)，這本身就構(gòu)成了QIST的一個(gè)重要方向。”
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