向完美的量子超材料跃进
日期:2016年5月11日
资源：劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）
概要：科学家利用由光组成的人造晶体捕获超冷原子的方法，开辟出构造量子超材料（quantum metamaterial）的新途径，这种材料具有天然材料不具备的奇特性能。这项工作意在实现通过操控原子传达信息，进行复杂的模拟技术以及实现高性能传感器的功能。
上图中波浪图形表示的是具有手风琴式结构的量子材料—一种由光制成的人造晶体—这种材料利用规则排布的纳米尺度口袋状捕获原子。这些口袋可以大量承载大量超冷主原子（绿色），并用激光让该过程放缓，向个别口袋中植入探针原子（红色），这些探针原子以光子（光颗粒）的形式发出量子信息。上图下侧图示展示了光是如何由开放空间（橙色双曲线）向密闭空间（绿色椭球形）转变使得人造晶体结构重置的，该过程极大的影响着探针原子释放光子的速度。
科学家利用由光组成的人造晶体捕获超冷原子的方法，开辟出构造量子超材料（quantum metamaterial）的新途径，这种材料具有天然材料不具备的奇特性能。这项工作意在实现通过操控原子传达信息，进行复杂的模拟技术以及实现高性能传感器的功能。
劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的科学家们带领着这支研究队伍，他们试通过手风琴式原子级骨架或晶格结构，用激光将原子捕获到排布规则的纳米级口袋中。这种基于光的结构从某种角度讲看起来像晶体结构，准确来说这是一种完美的结构—不存在天然材料中的任何瑕疵。
研究人员相信他们可以精准的定位所谓“探针”原子在光晶体中的具体位置，并利用另一种激光（近红外光）激发这些原子，使这些原子以光颗粒或光子的形式根据需求释放出部分能量。
这种光子，可依次以简单信息交换的形式，被另一种探针原子（处于相同或不同的格点）吸收，就像通过两个连在一起的易拉罐之间通话一样。
“这项研究是极具意义的，” Xiang Zhang说道，Xiang Zhang是伯克利材料科学实验室主任，并于四月在Physical Review Letters上发表了相关文章。“我们知道增强并控制超速单光子是量子技术里的核心，特别是对于量子信息传输，而这也是我们所研究实现的。之前的研究只能分别实现其中一个技术，但不会同时实现两者。”
Zhang同样在加州大学伯克利分校任职教授，国家科学基金可扩展与集成纳米制造中心（NationalScience Foundation's Center for Scalable and Integrated Nanomanufacturing）主任，加州大学伯克利分校伯克利实验室卡夫能源纳米科学研究所（Kavli Energy Nano Science Institute）成员。
该论文的第一作者是来着加州大学伯克利分校博士后研究员Pankaj K. Jha，现工作在Zhang的课题组，他认为“现在我们已经可以控制光子的释放速度，因此我们可以更加迅速地处理光学信息，高效的将其由一点传输到另一点。”对该文章做出贡献的还有Michael Mrejen，Jeongmin Kim，Chihhui Wu，YuanWang以及Yuri V.Rostovtsev。
这种高速释放光子，并将其低损耗地由一个原子传递到另一个原子的能力，是实现量子计算信息处理过程中至关重要的一步，这种方法通过这些可控光子的释放所得到的相应矩阵，并以此来实现复杂的计算，其计算速度远大于现代计算机的计算速度。
量子计算机在复杂计算方面表现出的远远优于现代超级计算机的潜力，这使得该方面研究在当今科学技术整体产业中炙手可热。量子计算机的原理涉及到传统物理规律无法解释的奇特的量子领域。
现代计算机可利用基于1或0的二进制方法存储信息，而量子计算机利用“量子比特（qubits）”存储，量子比特可独立存储信息且可多个同时并联存在。量子比特能够以原子、光子、电子甚至任何独立性质颗粒的形式存在，并瞬间以指数增长的速度开始计算。
超冷原子在人造晶体中不均匀分布是最新研究的关键，Jha介绍到，“创造无损且可塑的完美量子超材料有很大的不同。” 它让人造晶体的光学结构得到重塑，在这过程中原子由开放空间（双曲线形）向密闭空间（椭球形）以同频率超高速转换。这种可控形变可明显的改变探针原子在人造晶体中释放光子的速度。
最新的计划中提到了探针原子将有可能加速释放光子，由几纳秒或十亿分之一秒上升到皮秒或万亿分之一秒。同样，这个过程也被视为“无损耗”，这意味光子将不会像在传统材料中那样，在能量向其周边结构传递过程中出现损耗。该研究攻克了量子计算与信息传递中的一大难题。
向人造晶体中加入的原子同样会引发其在不同晶格中的跳跃。这种情况下，原子可在量子计算或量子传感器中担当信息载体，Jha说道。
Jha注意到最新的研究中将超材料与“冷原子”结合起来，这种被降速的原子甚至可在过冷温度下用激光将其静止。他介绍到“该研究克服了超材料领域中的诸多难题，且在解决量子技术中的各种关键问题方面，这种方法要好于其他方法。”
人们发现对于这项研究，铷原子是最理想的原子，而钡、钙及铯原子由于其能量与铷相近，因此也都可被捕获或植入到人造晶体中。尽管目前研究中人造晶体是被描述成一维模型的，但Jha认为这种利用光的方法很容易拓展到二维或三维尺度的量子超材料晶体结构。
为了能将这种设想的超材料在真实的实验中得以实现，Zhang和Jha认为研究团队需将在晶体中的每一个晶格中捕获更多的原子，并将其稳定在晶格中，即便这些原子被激发处于更高的能态。
Zhang说，“伯克利实验室已经在超材料开拓性研究中取得了领先的地位，这项工作将会为量子光-物相互作用的研究开辟出新的领域，并挖掘出量子信息科学的大量潜在应用。”
Jha补充道，“我们相信当前两个学科的结合会使两个领域的关键难题迎刃而解，并为量子光学与人造材料交叉学科开辟出全新的研究方向。”
该工作由美国空军科学研究室（U.S.Air Force Office of Scientific Research）与Gordon及Betty Moore基金会支持。
原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160511084428.htm
翻译：房体明
审稿：林然
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