量子光學(xué)在微觀水平上研究光和物質(zhì)的相互作用，它已經(jīng)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，其中包括2001年以來(lái)的三個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，授予了一些科學(xué)界最著名的人。然而，即使在這個(gè)成熟的領(lǐng)域，一些有趣的物理學(xué)仍然很大程度上沒(méi)有得到探索。

來(lái)自?shī)W地利維也納工業(yè)大學(xué)、杜克大學(xué)、帕勒莫大學(xué)和意大利CNR納米科學(xué)研究所的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，以及美國(guó)能源部的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，公布了一種新的光子捕獲方法。

這種方法可以定位和存儲(chǔ)一個(gè)光子，為解開(kāi)復(fù)雜的物理現(xiàn)象和操縱單個(gè)光子的量子態(tài)提供了另一種選擇，研究成果最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。方耀龍(Leo)是布魯克海文計(jì)算科學(xué)計(jì)劃量子計(jì)算小組的助理計(jì)算科學(xué)家，也是這篇論文的作者之一。然而，束縛態(tài)通常與連續(xù)能譜是分離的，在系統(tǒng)的連續(xù)外。這使得連續(xù)體(BIC)中的束縛態(tài)成為一種有趣而又難以研究的物理現(xiàn)象。事實(shí)上，方耀龍指出連續(xù)體(BIC)是一個(gè)活躍在許多科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究課題。

在某些原子波導(dǎo)裝置中(一個(gè)一維光通道與原子強(qiáng)耦合的試驗(yàn)臺(tái))，可以存在光和物質(zhì)的集體激發(fā)構(gòu)成連續(xù)體(BIC)。有了這些知識(shí)，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新方法來(lái)激發(fā)連續(xù)體(BIC)，這在以前被認(rèn)為只有通過(guò)自發(fā)光子發(fā)射才能實(shí)現(xiàn)。不像傳統(tǒng)的方法需要控制光在介質(zhì)中傳播，這提供了一種新的方法來(lái)捕獲單個(gè)光子而不減慢光的速度。方耀龍說(shuō)：當(dāng)弗朗西斯科(論文合著者)第一次提出讓連續(xù)體(BIC)激發(fā)想法時(shí)，我有點(diǎn)懷疑。但是，當(dāng)我們坐下來(lái)仔細(xì)分析之后，發(fā)現(xiàn)他是對(duì)的，真的有用！

研究小組在兩個(gè)試驗(yàn)臺(tái)中考慮了連續(xù)體，包括一個(gè)連接到一對(duì)遙遠(yuǎn)原子的開(kāi)放波導(dǎo)。激發(fā)連續(xù)體還需要兩個(gè)重要的因素：一個(gè)多光子波包和一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間延遲。發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)時(shí)間延遲和波參數(shù)，可以發(fā)射兩個(gè)光子，捕獲一個(gè)光子的概率超過(guò)80%。通過(guò)改進(jìn)參數(shù)，在理論上，一個(gè)完美的捕獲是可能的。該結(jié)果為研究非線(xiàn)性系統(tǒng)中的量子動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)可選的例子。反過(guò)來(lái)，這可以為涉及量子多體物理的廣泛研究領(lǐng)域提供信息，在這些領(lǐng)域中，系統(tǒng)由許多量子力學(xué)相互作用的粒子組成。

必須有有限的時(shí)間延遲來(lái)最大化陷阱，這種方法的價(jià)值在于，它可以使量子存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算受益。例如，量子計(jì)算機(jī)需要存儲(chǔ)光子，并在需要時(shí)檢索它。因?yàn)楣庾右怨馑龠\(yùn)動(dòng)，不能停止，所以需要減慢它們的速度，這樣它們才能被儲(chǔ)存起來(lái)。現(xiàn)在有了一種新的、可驗(yàn)證機(jī)制來(lái)存儲(chǔ)光子。該團(tuán)隊(duì)的光子散射工作也有所不同，因?yàn)樗芊邱R氏動(dòng)力學(xué)的影響，這可能很難解決，因?yàn)樵谝粋€(gè)系統(tǒng)中，先前的狀態(tài)如何影響隨后的狀態(tài)。從微波和激光等全光系統(tǒng)、原子、分子和光學(xué)物理到光學(xué)力學(xué)，人們對(duì)非馬氏物理學(xué)普遍感興趣，一個(gè)典型的特征就是偏離了純粹的指數(shù)衰減。

研究具有時(shí)滯的多體效應(yīng)存在很大技術(shù)困難，在具有延遲效應(yīng)的非馬爾可夫動(dòng)力學(xué)中，研究提出了一個(gè)具有類(lèi)似物理性質(zhì)的模型系統(tǒng)，該模型系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)值求解來(lái)讓物理學(xué)家推斷和檢驗(yàn)這些系統(tǒng)中發(fā)生了什么。最終利用連續(xù)體（BIC）的潛力很大，例如為量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一個(gè)雙量子位糾纏門(mén)，甚至設(shè)想通過(guò)量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。通過(guò)激發(fā)連續(xù)體，可以在量子網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)遙遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生有限的糾纏。有很多方法可以為其他工作和新興科學(xué)領(lǐng)域提供有效的方案。

博科園｜研究/來(lái)自：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.073601

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