為了開發(fā)像量子計算機(jī)這樣的未來技術(shù)，科學(xué)家們需要找到方法來控制光子，光子即光的基本粒子，就像科學(xué)家已經(jīng)可以控制電子一樣，電子是電子計算中的基本粒子。

不幸的是，光子遠(yuǎn)比電子更難操縱，電子對力的反應(yīng)，就像孩子們都能理解的磁力一樣簡單。但現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，首次創(chuàng)造了一種可以精確控制光子的“偽磁力”，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

在短期內(nèi)，這種控制機(jī)制可以用來通過光纜發(fā)送更多的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。其研在未來，這一發(fā)現(xiàn)可能會促使基于光的芯片發(fā)明，這種芯片將提供比電子芯片更強大的計算能力。研究的第一作者、博士后學(xué)者阿維克·達(dá)特(Avik Dut)說：我們所做的是如此新奇，以至于可能性才剛剛開始成為現(xiàn)實。從本質(zhì)上說，研究人員“欺騙”了本質(zhì)上不具磁性相互作用的光子，使其表現(xiàn)出帶電電子的行為。

研究通過發(fā)送光子通過精心設(shè)計的迷宮來實現(xiàn)這一點。這種方式使光粒子的行為，就像是受到科學(xué)家所稱的“合成”或“人造”磁場作用。電氣工程教授、這項研究背后的資深科學(xué)家范善輝（音譯）說：我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生磁力，能夠以可預(yù)測和有用的方式推動光子。雖然仍處于實驗階段，但這些結(jié)構(gòu)代表了現(xiàn)有計算模式的進(jìn)步，存儲信息完全是為了控制粒子的可變狀態(tài)。

科學(xué)家們通過打開和關(guān)閉芯片中的電子來創(chuàng)建數(shù)字0和1來做到這一點，使用磁性來控制光子的顏色（或能級）和自旋（無論它是順時針還是逆時針方向）之間相互作用的芯片，會比簡單的開關(guān)電子產(chǎn)生更多可變狀態(tài)。這些可能性將使科學(xué)家能夠在基于光子的設(shè)備上處理、存儲和傳輸比今天使用電子芯片可能的更多數(shù)據(jù)。為了將光子帶到產(chǎn)生這些磁效應(yīng)所需的附近，斯坦福大學(xué)的研究人員使用了激光、光纜和其他現(xiàn)成的科學(xué)設(shè)備。

建造這些結(jié)構(gòu)使科學(xué)家們能夠推斷出效果背后的設(shè)計原則。最終將不得不創(chuàng)造納米級的結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)同樣的原理來制造芯片。同時，已經(jīng)找到了一種相對簡單的新機(jī)制來控制光子，這是令人興奮的。從超冷原子物理到光子學(xué)，創(chuàng)造合成維度已經(jīng)引起了許多科學(xué)分支的極大熱點。這樣的能力為實現(xiàn)有效規(guī)范勢和新穎的拓?fù)湮锢硖峁┝艘粋€通用平臺，這些在實際系統(tǒng)中可能很難或不可能實現(xiàn)。

本研究還證明了結(jié)構(gòu)化光學(xué)環(huán)腔可以支撐一個以上的合成維度。在調(diào)制下，諧振器內(nèi)部的不同自由度耦合被用來合成兩個額外維度，然后研究人員模擬許多通常與凝聚態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的復(fù)雜物理現(xiàn)象。

博科園｜研究/來自：歐洲核子研究中心

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

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