物质波极化子的发现为光子量子技术提供了新的视角

　　实验原理图和极化子形成。图片来源： 自然物理 （2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01565-4
　　推进量子科学技术（QIST）领域的实验平台的发展带来了任何新兴技术所共有的一系列独特优势和挑战。由Dominik Schneble博士领导的石溪大学的研究人员报告了光学晶格中物质波极化子的形成，这是一项实验发现，通过使用超冷原子的直接量子模拟，可以研究中心QIST范式。研究人员预计，他们的新型准粒子模仿材料和设备中强烈相互作用的光子，但规避了一些固有的挑战，将有利于QIST平台的进一步发展，这些平台有望改变计算和通信技术。
　　这些发现在《 自然物理学》 杂志上发表的一篇论文中有详细说明。
　　这项研究揭示了基本的极化子性质和相关的多体现象，并为极化子量子物质的研究开辟了新的可能性。
　　使用基于光子的QIST平台的一个重要挑战是，虽然光子可以成为量子信息的理想载体，但它们通常不会相互作用。缺乏这种相互作用也抑制了它们之间量子信息的受控交换。科学家们已经找到了解决这个问题的方法，方法是将光子耦合到材料中较重的激发，从而形成极化子，即光和物质之间的嵌合体状杂交体。这些较重的准粒子之间的碰撞使得光子能够有效地相互作用。这可以实现基于光子的量子门操作，并最终实现整个QIST基础设施。
　　然而，一个主要的挑战是这些基于光子的极化子的寿命有限，因为它们与环境的辐射耦合，导致不受控制的自发衰变和退相干。
　　极化子研究中研究结果的艺术渲染显示光学晶格中的原子形成绝缘相（左）;原子通过真空耦合变成物质波极化子，由绿色（中心）表示的微波辐射介导;极化子变得可移动并形成超流体相，以实现强真空耦合（右）。图片来源：Alfonso Lanuza/Schneble Lab/Stony Brook University。
　　根据Schneble及其同事的说法，他们发表的极化子研究完全规避了自发衰变引起的这种限制。它们的极化子的光子方面完全由原子物质波携带，对于原子物质波，不存在这种不需要的衰变过程。此功能允许访问在基于光子的极化子系统中无法访问或尚不可用的参数状态。
　　＂量子力学的发展在上个世纪占据了主导地位，现在全球范围内正在进行一场关于QIST及其应用发展的＂第二次量子革命＂，包括IBM，谷歌和亚马逊等公司，＂Schneble说，他是艺术与科学学院物理与天文学系教授。＂我们的工作突出了QIST中涌现光子量子系统感兴趣的一些基本量子力学效应，从半导体纳米光子学到电路量子电动力学。
　　Stony Brook的研究人员在一个平台上进行了实验，该平台具有光学晶格中的超冷原子，这是一个由驻波光形成的蛋箱状潜在景观。他们使用具有各种激光和控制场并在纳米开尔文温度下工作的专用真空设备，实现了一种场景，其中被困在晶格中的原子＂装扮＂了由脆弱的，转瞬即逝的物质波制成的真空激发云。
　　研究小组发现，结果，极化子粒子变得更加移动。研究人员能够通过轻轻摇动晶格直接探测其内部结构，从而获得物质波和原子晶格激发的贡献。当单独放置时，物质波极化子跳跃穿过晶格，相互作用，形成准粒子物质的稳定相。
　　＂通过我们的实验，我们在一种新颖的制度中对激子 - 极化子系统进行了量子模拟，＂Schneble解释说。＂执行这种＂模拟＂模拟的追求，此外是＂模拟＂，因为相关参数可以自由拨入，这本身就是QIST中的一个重要方向。
　　Stony Brook的研究包括研究生Joonhyuk Kwon（目前是桑迪亚国家实验室的博士后），Youngshin Kim和Alfonso Lanuza。