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推進量子信息科學與技術(shù)(QIST)領(lǐng)域的實驗平臺的發(fā)展伴隨著一系列獨特的優(yōu)勢和任何新興技術(shù)所共有的挑戰(zhàn)。紐約州立大學石溪分校的研究人員在Dominik Schneble博士的領(lǐng)導下，報告了物質(zhì)波極子在光學晶格中的形成，這一實驗發(fā)現(xiàn)允許通過使用超冷原子的直接量子模擬來研究QIST的一個核心范式。科學家們預(yù)計，他們的新型準粒子，模擬了材料和設(shè)備中的強相互作用的光子，但規(guī)避了一些固有的挑戰(zhàn)，將有利于QIST平臺的進一步發(fā)展，這些平臺有望徹底改變計算和通信技術(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平臺的一個重要挑戰(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。這些較重的準粒子之間的碰撞使光子能夠有效地相互作用。這可以實現(xiàn)基于光子的量子門操作，最終實現(xiàn)整個QIST基礎(chǔ)設(shè)施。
然而，一個主要的挑戰(zhàn)是這些基于光子的偏振子的壽命有限，因為它們與環(huán)境的輻射耦合導致了不可控的自發(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)衰變造成的這種限制。他們的偏振子的光子方面完全由原子物質(zhì)波來承載，對其來說，這種不需要的衰變過程并不存在。這一特點打開了進入?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，或者說還沒有進入。
“量子力學的發(fā)展在上個世紀占據(jù)了主導地位，現(xiàn)在全球范圍內(nèi)正在進行一場朝著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，”文理學院物理和天文學系教授Schneble說。“我們的工作強調(diào)了一些基本的量子力學效應(yīng)，這些效應(yīng)對QIST中出現(xiàn)的光子量子系統(tǒng)很有意義，包括半導體納米光子學和電路量子電動力學。”
紐約州立大學石溪分校的研究人員在一個平臺上進行了他們的實驗，這個平臺的特點是超冷原子在一個光學晶格中，這是一個由光的駐留波形成的蛋殼狀的潛在景觀。他們使用一個具有各種激光器和控制場并在納開爾文溫度下運行的專用真空設(shè)備，實現(xiàn)了一個場景，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。當單獨放置時，物質(zhì)波偏振子在晶格中跳躍，相互作用，并形成穩(wěn)定的準粒子物質(zhì)相。
Schneble解釋說：“通過我們的實驗，我們在一個新的體系中對激子-極子系統(tǒng)進行了量子模擬。尋求進行這樣的‘模擬’仿真，而且是‘模擬’，即相關(guān)的參數(shù)可以自由撥動，這本身就構(gòu)成了QIST的一個重要方向。”
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