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超冷物质

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新的光学设备仅吸收一个光子

25 Nov 2016
艺术家对单光子设备的印象
孤光子:新设备将从光束中准确提取一个光子。 (礼貌:克里斯托弗·特雷斯普)

Physicists in Germany have created a new optical device that can absorb exactly one photon. 他们 say that this device, which exploits the physical properties of giant micron-sized atoms known as Rydberg atoms, could be used in optical quantum computing networks of the future.

塞巴斯蒂安·霍弗伯斯(Sebastian Hofferberth) 斯图加特大学(University of Stuttgart)的研究人员解释说,该设备首先表现得像深色太阳镜镜片,但是一旦吸收了第一个光子,它就会对光透明。 Hofferberth说,该设备的一项重要应用可能是吸收来自量子网络的单个光子。另一个潜在的应用是精确的光子计数器,它可以通过将许多设备串联而制成。

原子云

该装置的心脏是微米级的diffuse原子扩散云,冷却到接近零温度。为了使云只吸收单个光子,首先用具有足够精确能量的激光照射激光,以激发原子’最外层电子进入第121能级在这里,电子离原子核的距离比原子中原子的距离大一千倍’的基态。这种原子的半径大于一微米,被称为里德堡原子。

当云中的atom原子吸收单个光子成为第一个Rydberg原子时,其他任何原子都无法接受激光束中的另一个光子。这是因为第一个里德堡原子’它最外层的电子离原子核太远,以致与云中所有其他原子重叠,从而改变了它们的电子结构。“第一个里德堡原子的存在具有很强的影响力,它改变了所有其他原子的共振条件,”Hofferberth说,补充“Rydberg原子可以与其约10微米远的邻居相互作用”。因为没有其他原子可以吸收光子,所以云变得透明。

为了验证仅捕获了一个光子,研究人员使用了一个事实,即外部电子与Rydberg原子松散结合’s nucleus. “They’re very fragile,”霍弗伯斯说。因此,为了验证云只吸收一个原子,他和他的同事通过将最外面的电子敲掉,将里德堡原子转化为a离子。然后,他们计算出存在的rub离子数量,并且只测量了一个。

精致的工艺

Hofferberth说,创建这种光子吸收器在实验上是困难的。虽然激光冷却和捕获the原子是一种标准技术,但创建原子云和单个Rydberg原子仍然是非常微妙的过程。

说,这种单光子吸收器的概念最早是在2011年提出的 阿列克谢·戈尔什科夫(Alexey Gorshkov)是马里兰大学的物理学家,过去曾与Hofferberth合作,但并未参与这项最新工作。“这些家伙已经实现了,这很酷,”戈尔什科夫说。但是,他指出,当设备吸收单个光子时,它还会使随后通过它的光子的信号失真,这可能会使它在量子信息应用中的使用复杂化。

霍弗伯斯解释说,他的团队’总体目标是创建一系列通用工具,以精确地添加,减去和控制单个光子。“现在,我们已经建立了这种工具的最原始版本来操纵光线,” he says. “我们可以精确地减去一个光子。”2015年,基于不同物理机制的类似单光子吸收器问世 巴拉克·达扬 和以色列魏兹曼科学研究所的同事们,现在断言哪种将是更有效的工具还为时过早。根据霍弗伯斯的说法,下一步是创建一种进行相反操作的装置-一组可以精确产生一个光子的原子。

该研究描述于 体检信

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者