一组研究人员开发了一种新的控制光相互作用的方法，使用一种特别设计的结构称为三维光子晶体腔，这可能会推动量子计算、量子通信和其他基于量子的技术的变革性进步。
莱斯大学的一组研究人员开发了一种新的方法来控制光相互作用，使用一种特别工程化的结构称为三维光子晶体腔。他们的工作发表在期刊《自然通讯》上，为能够实现量子计算、量子通信和其他基于量子的技术的变革性进步的技术奠定了基础。
“想象一下站在一个被镜子环绕的房间里，”研究的第一作者、莱斯大学应用物理研究生项目的校友Fuyang Tay说。“如果你在里面照射手电筒，光会来回反射，永不停息。这与光学腔的工作原理相似——这是一个专门设计的结构，可以将光捕获在反射表面之间，使光能够以特定模式反弹。”
这些具有离散频率的模式称为腔模，它们可以用于增强光与物质的相互作用，使其在量子信息处理、开发高精度激光器和传感器，以及构建更好的光子电路和光纤网络中具有潜在的应用价值。光学腔体往往难以构建，所以最广泛使用的光学腔通常具有更简单的一维结构。
Tay与莱斯大学的博士校友Ali Mojibpour及其他团队成员一起，构建了一个复杂的三维光学腔，并利用它研究多个腔模与暴露于静态磁场的自由移动电子的薄层之间的相互作用。他们研究的关键问题是多个腔模同时与电子相互作用时会发生什么。
“众所周知，电子之间相互作用强烈，但光子则不然，”研究的通讯作者、卡尔·F·哈塞尔曼工程教授、电子与计算机工程以及材料科学与纳米工程教授Junichiro Kono说。“该腔体限制了光，这极大增强了电磁场，并导致光与物质之间的强耦合，形成量子叠加态——即所谓的极化子。”
极化子，也被称为混合光物质态，提供了一种在非常小的尺度上控制和操作光的方法，这可能会促成更快和更节能的量子计算和通信技术。极化子也可以集体行为，导致量子纠缠态的出现，这可以用于新型量子电路和传感器。
如果将光子和电子结合成极化子的相互作用极其强烈——到光与物质之间的能量交换迅速到足以抵抗耗散的地步——就会出现一种新状态，称为超强耦合。
“超强耦合描述了一种光与物质之间不寻常的相互作用模式，其中两者深度混合，”目前在哥伦比亚大学担任博士后研究员的Tay说。
研究人员使用太赫兹辐射观察腔模与电子在三维光学腔中如何耦合，并解决了诸如需要超冷温度和强磁场等实验挑战。
他们发现，不仅不同的腔模在超强耦合状态下与移动电子相互作用，而且这种多模光物质耦合依赖于入射光的偏振，这触发了两种相互作用形式之一。
“根据光的偏振，腔模要么保持独立，要么混合在一起，形成全新的混合模式，”Tay说。“这表明我们可以工程化材料，使不同的腔模通过磁场中的电子彼此‘交流’，创造出新的相关态。”
如果最初研究人员主要关注三维光子晶体腔如何增加光物质耦合的方式，那么意识到该设置可以用于引发物质介导光子-光子耦合则成为该研究中的“啊哈时刻，”研究合著者、莱斯大学电气与计算机工程助理研究教授Andrey Baydin说。
“这种物质介导的光子-光子耦合可能会导致量子计算和量子通信中的新协议和算法，”Kono说。
莱斯大学电气与计算机工程助理教授Alessandro Alabastri，以及他实验室的博士后研究员Stephen Sanders，开发了腔体结构的模拟，复制了实验中观察到的材料属性和电磁场动态。
Alabastri赞扬Tay对理解工作的模拟部分与实验部分的兴趣。
“他是一位实验者，但我发现他愿意学习计算部分，这一点非常有趣，”Alabastri说。
通过提供一种新的方法来工程化光物质相互作用和超强光子-光子耦合，研究结果为高效量子处理器、高速数据传输和下一代传感器的开发铺平了道路。
“量子现象或状态以其脆弱性而著称，”莱斯大学斯马利-柯尔研究所所长Kono说。“腔量子电动力学是量子技术的新兴研究领域，其中腔设置提供了保护和利用量子状态的受控环境。在莱斯大学，我们在量子科学研究方面非常活跃——我们正在解决该领域的一些最大挑战。”
该工作的资金支持来自美国陆军研究办公室 (W911NF2110157)，戈登和贝蒂·摩尔基金会 (11520)，W.M. 凯克基金会 (995764) 和罗伯特·A·韦尔奇基金会 (C-1509)。这里的内容仅代表作者的观点，并不一定代表资助机构和机构的官方观点。
