物理學(xué)家利用原子“暗態(tài)”儲存光

這項新技術(shù)可以用于從糾纏的原子云中創(chuàng)造量子網(wǎng)絡(luò)。

在致密的原子云中，首次觀察到這種效應(yīng)

(圖源：美國圖片供應(yīng)）

事實表明，上升的東西不需要再下降。物理學(xué)家們首次在致密原子云中成功觀測到一種被稱為亞輻射的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象下，原子呈激發(fā)態(tài)糾纏。他們在一項新研究中報告道，利用亞輻射可以允許科學(xué)家們在原子云中建立一個可靠并且長效的量子網(wǎng)絡(luò)。原子通過吸收光子（光粒子）來獲取能量，使它們的原子從能量最低的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。

一旦它們到達激發(fā)態(tài)，原子便會自動發(fā)出光子，然后又回到基態(tài)。但并不總是這種情況。如果許多原子聚集在一起，并且被比發(fā)射光子波長更短的距離分開，那么它們發(fā)出的光就會被自我抵消，原子也會一直保持在激發(fā)態(tài)。這個過程叫做亞輻射，其有效避免了集群激發(fā)態(tài)原子的衰敗。亞輻射之前只在稀化原子集合和有序原子列陣中被觀測到，但從未在致密原子云中被發(fā)現(xiàn)。亞輻射能發(fā)揮作用是由于一種叫相消干涉的現(xiàn)象。當(dāng)兩個具有相同波幅的光波占據(jù)同一空間時，其波峰和波谷可以建設(shè)性地對齊相加，從而產(chǎn)生比原來亮兩倍的組合光波，或者，破壞性地將兩個光波完全消除。

但是，原子云發(fā)出的光的抵消如何保持原子激發(fā)態(tài)呢？據(jù)研究人員所說，要理解這個的關(guān)鍵就是觀察亞輻射量子力學(xué)——統(tǒng)領(lǐng)亞原子領(lǐng)域的奇妙的概率規(guī)則。

在量子世界的微小尺度上，粒子都具有類波特性，并且能同時在點與點之間的所有無限路徑上運動。粒子所選擇的路徑和我們所觀測的路徑取決于類波粒子之間如何互相干擾。真正使原子處于激發(fā)態(tài)的并不是任何發(fā)射的光子之間的破壞性干涉，相反的——這也是奇怪之處——它發(fā)生的可能性首先阻止了光子的發(fā)射。

共同作者洛伊克·亨里埃，一位法國量子工程公司帕斯卡爾的工程師，在回復(fù)生命科學(xué)的郵件中寫道：“要搞清楚一件物理事件發(fā)生的概念，就需要把該事件所有的路徑總和起來。在一些情況下，路徑會顯著干涉并且增強現(xiàn)象，但在另外一些情況下，破壞性的干涉會影響抑制發(fā)生的概率。單個原子釋放的光子的破壞性干涉阻止了原子系統(tǒng)中集合共享的原子激發(fā)態(tài)的衰變?！?/p>

為了首次在致密氣體中引介亞輻射，團隊利用光鑷陷阱將冷銣原子的無序云限制起來。這項曾在2018年獲得諾貝爾物理獎的技術(shù)利用了高強度的激光束使得粒子得以在空間中維持不動，然后第二束激光激發(fā)銣原子。許多激發(fā)態(tài)原子會通過一種叫“超輻射”的過程然后迅速衰變，這個過程和亞輻射有關(guān)，但是，是原子將其發(fā)出的光組合成超強的閃光。但是一些原子停留在亞輻射或者“黑暗”狀態(tài)，無法發(fā)射出可以破壞性干涉的光。隨著時間推移，一些處在超輻射狀態(tài)的原子也會變成亞輻射狀態(tài)，使得原子云也越來越亞輻射化。

“我們只是單純地等待這個系統(tǒng)自己衰變到黑暗狀態(tài)，”，亨里埃說“動力衰變十分復(fù)雜，但我們知道相互作用會以某種方式使系統(tǒng)在更長的時間內(nèi)來填充亞輻射?！?/p>

一旦他們找到方法制造亞輻射云，科學(xué)家們會通過調(diào)整光鑷將原子從黑暗狀態(tài)中震出，使原子發(fā)出不具備破壞性干涉的光。而這會導(dǎo)致來自亞輻射云的一陣光。團隊還制造了不同形狀和不同大小的云，旨在研究其特性。只有在激發(fā)態(tài)云中的一定數(shù)量的原子才能影響自身的壽命——有越多的原子在里面，那它們衰變回基態(tài)所需的時間就越長。

“干擾效應(yīng)是集體效應(yīng)，要使其發(fā)生，你需要有幾個發(fā)射源。當(dāng)你增加發(fā)射源，它就會更顯著，當(dāng)僅有兩個原子時，也有可能發(fā)生某種程度上的亞輻射，但它所具備的物理效果是十分微小的。通過增加原子的數(shù)量，人們就可以有效抑制光子發(fā)射?！昂嗬锇Ｕf道。

現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)能夠制造并控制亞輻射原子云，他們打算研發(fā)一些技術(shù)，例如將原子云排列成規(guī)則的幾何模型，使得科學(xué)家們能精準(zhǔn)地控制他們所需要的干擾量，而這讓他們更好地控制激發(fā)態(tài)原子的壽命。研究者們認(rèn)為他們的發(fā)現(xiàn)將會極大有利于于各項新技術(shù)的發(fā)展，比如新量子計算機和更精準(zhǔn)的天氣預(yù)測傳感器。

BY:Ben Turner

FY:貝斯人

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