科学家们设计了一种方法，利用由光组成的人造晶体中的超冷原子来构建“量子超材料”——一种具有异物特征的工程材料。理论代表了操纵原子传输信息、执行复杂模拟或充当强大传感器的一步。

由能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家领导的研究小组提出，使用手风琴状的原子框架或“晶格”结构，这种结构是通过激光以规则的间隔捕获纳米尺度的口袋而制成的。这种基于光的结构在某些方面具有类似于晶体的图案特征，基本上是一种“完美”的结构——没有天然材料中常见的典型缺陷。

研究人员认为，他们可以准确定位所谓的“探针”原子在这种光晶中的位置，并用另一种类型的激光(近红外光)主动调整其行为，使原子能够咳出一些能量。光或光子形式的需求。

反过来，这个光子可以被另一个探针原子吸收(在相同或不同的晶格位置)，这是一种简单的信息交换形式——就像两个串联的锡罐之间传播的口头语言一样。

“我们的建议非常重要，”伯克利实验室材料科学部主任张翔说，他领导了相关的研究论文，并将其发表在4月份的《物理评论快报》上。“我们知道，单光子发射的增强和超快控制是量子技术的核心，尤其是量子信息处理，这正是我们在这里取得的成就。以前的建议可以同时进行，但不能同时进行。”

张，美国加州大学伯克利分校教授，美国国家科学基金会可扩展与集成纳米制造中心主任，美国加州大学伯克利分校伯克利实验室和Kavli能源纳米科学研究所成员。

该论文的主要作者、张所在团队的加州大学伯克利分校博士后研究员Pankaj K. Jha说：“现在我们可以控制光子释放的速度，这样我们就可以更快地光学处理信息，“有效地将信息从一个点传递到另一个点。“对这项工作做出贡献的其他科学家包括迈克尔姆雷金、金全敏、吴奇辉、汪芫和尤里罗斯托夫采夫。

这种快速释放光子并以低损耗将光子从一个原子传输到另一个原子的能力是处理量子计算信息的关键一步。量子计算可以使用这些受控光子释放阵列进行复杂的计算。比现代电脑还快。

量子计算机是科技行业和科学界的热门追求，因为它有可能执行比使用现代超级计算机更复杂的计算，并且可以利用不适用于普通物理规则的奇怪量子场。

尽管今天的计算机可以将信息存储为二进制位——无论是一位还是零位——但量子计算器将使用“量子位”，其中一位信息可以同时存在于多种状态中。这些量子位可以采取原子、光子和电子的形式，甚至可以作为粒子的单一基本属性，并且可以指数级地增加计算机瞬间执行的计算数量。

Jha说，人工晶体中过冷原子的不均匀分布是这项最新研究的关键。“这对于创造‘完美的’无损和可重构的量子超材料非常重要，”他说，允许人工晶体的光学结构从开放的几何形状(双曲线)重新配置为封闭的(椭圆形)。同频超快定时。这种可控的形状变化极大地改变了人造晶体中探针原子释放光子的速度。

最新的提议表明，有可能将光子发射速率从纳秒或十亿分之一秒加快到皮秒或万亿分之一秒。此外，这一过程被认为是“无损”的，这意味着光子不会像传统材料一样向周围结构中损失任何能量。这克服了量子计算和信息处理的障碍。

植入人造晶体的原子也可能被诱导从一个地方跳到另一个地方。Jha说，在这种情况下，原子本身可以用作量子计算机中的信息载体，或者被安排成量子传感器。

Jha指出，这项最新研究将超材料研究与“冷原子”科学相结合，冷原子是一种利用激光来减缓甚至停止使用激光的原子，激光在这个过程中将它们冷却到过冷温度。他说：“这种集成解决了超材料平台的一些突出挑战，在量子技术的几个关键方面优于其他设计。”

研究人员发现，铷原子非常适合这项研究，但钡、钙和铯原子也可以被捕获或植入人造晶体，因为它们显示出相似的能级。尽管研究中使用的人工晶体被描述为一维的，但Jha说，同样的方法可以很容易地扩展到在光外生成二维和三维量子超材料晶体结构。

为了在实际实验中实现所提出的超材料，张和Jha说，研究团队需要在人造晶体中的每个晶格位置捕获几个原子，即使这些原子被激发到更高的能量状态，也要保持在晶格中。

张说：“伯克利实验室一直是超材料领域开创性研究的领导者。这项工作可以开辟量子光与物质相互作用机会的新领域，在量子信息科学中具有诱人的应用。”

Jha补充说：“我们相信，这两个当代科学领域的结合将有助于解决这两个领域的关键挑战，并在量子光子学和人工材料的界面开辟新的研究方向。”

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