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未来的量子存储器！科学家发现全新量子光学效应 | Nature速递
光子盒研究院出品
一种新发现、的被称为“集体诱导透明(collectively induced transparency, CIT)”的现象会导致原子组突然停止反射特定频率的光线。
CIT通过将镱原子限制在一个光腔（基本是一个微小的光盒）内，然后用激光轰击它们而发现的。尽管激光的光线会从原子上反弹到一个点上，但随着光线频率的调整，一个透明的窗口出现了：在这个窗口中，光线可以不受阻碍地通过腔体。
这一现象是由加州理工学院团队发现的，4月26日，相关成果以《多体空腔量子电动力学与被驱动的不均匀发射体(Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters)》为题，发表在《自然》期刊上。
加州理工学院、这一论文的共同通讯作者Andrei Faraon表示：“以往，我们从来不知道这种透明的存在，我们的研究主要将成为一个寻找原因的旅程。”
腔量子电动力学(cQED)提供了在最基本水平上调查、理解光与物质之间相互作用的能力。在过去的几十年里，该领域获得了巨大的实验进展，因为微观和纳米设备以及激光诱捕技术的快速发展已经显示出一系列多样化和丰富的现象。
这种进展也导致了cQED在量子技术中的应用，包括量子信息处理、光场操纵、单光子产生和量子通信，因为用光改变发射体(emitter)的特性（反之亦然）的能力已被证明是控制量子操作的一个不可或缺的工具。
耦合到光学谐振器的量子发射器是探索腔体量子电动力学(cQED)基本现象的典型系统，通常用于作为量子比特、存储器和传感器的量子设备。许多以往的实验性cQED研究都集中在少数相同的发射器与弱的外部驱动力相互作用的情况下，这样的系统可以用简单有效的模型描述。然而，一个无序的多体量子系统在强驱动下的动力学还没有得到充分的探索——尽管它在量子应用中十分重要、极具潜力。
在这项工作中，实验团队研究了嵌在YVO4中的大约106个171Yb3+离子的集合，并将其耦合到一个纳米光子腔；受到强驱动场的影响，共振离子可以激发。相对较低的光谱不均匀性、强过渡偶极矩和腔体耦合导致了高达24的光学合作性。这使得光与物质的相互作用得到了强烈的加强，从而能够对复杂的集体和多体现象进行研究。
对“透明”的分析指出，它是腔体中原子组和光之间相互作用的结果。这种现象类似于破坏性干扰，即来自两个或更多来源的波可以相互抵消。原子组不断地吸收和重新发射光，这通常会导致激光的反射。然而，在CIT频率下，从一个组中的每个原子重新发射的光会产生一个平衡，导致反射率下降。
共同主要作者、加州理工学院的研究生Mi Lei说：“耦合到同一光场的原子集合体可以导致意想不到的结果。”
该光学谐振器的长度仅为20微米，包括小于1微米的特征，是在加州理工学院的Kavli纳米科学研究所制造的。
“通过传统的量子光学测量技术，我们发现我们的系统已经达到了一个未曾探索过的体系，揭示了新的物理学。”该论文的共同第一作者、研究生Rikuto Fukumori表示。
除了“透明”现象，研究人员还观察到，与单个原子相比，原子集合可以吸收和发射激光的速度快得多或慢得多，这取决于激光的强度。这些过程被称为超辐射和亚辐射，由于有大量的相互作用的量子粒子，它们的基本物理学仍然不为人所知。
共同通讯作者、加州理工学院的博士后、斯坦福大学助理教授Joonhee Choi表示，“我们能够监测和控制纳米级的量子力学光-物质相互作用。”
虽然这项研究主要是基础性的、扩大了我们对神秘的量子效应世界的理解（集体和多体cQED现象），但这项发现有可能在某一天铺平应用的道路：使信息存储在强耦合原子的集合体中，从而实现更高效的量子存储器。Faraon还致力于通过操纵多个钒原子的相互作用来创造量子存储器。
当然，研究团队表示，“除了存储，这些实验系统还提供了关于开发未来量子计算机之间的连接的重要见解。”
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05884-1[2]https://phys.org/news/2023-04-newly-effect-atoms-transparent-frequencies.html[3]https://www.caltech.edu/about/news/newly-observed-effect-makes-atoms-transparent-to-certain-frequencies-of-light
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