科学探索|科学家们为“第二次量子革命”开发实验平台科学家们为“第二次量子革命

推进量子信息科学与技术(QIST)领域的实验平台的发展伴随着一系列独特的优势和任何新兴技术所共有的挑战。纽约州立大学石溪分校的研究人员在Dominik Schneble博士的领导下，报告了物质波极子在光学晶格中的形成，这一实验发现允许通过使用超冷原子的直接量子模拟来研究QIST的一个核心范式。科学家们预计，他们的新型准粒子，模拟了材料和设备中的强相互作用的光子，但规避了一些固有的挑战，将有利于QIST平台的进一步发展，这些平台有望彻底改变计算和通信技术。

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研究结果详见发表在《自然-物理》杂志上的一篇论文。该研究揭示了基本的偏振子特性和相关的多体现象，并为偏振子量子物质的研究提供了新的可能性。
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，但它们通常不相互作用。这种相互作用的缺失也抑制了它们之间量子信息的可控交换。科学家们通过将光子与材料中较重的激发物耦合，从而形成极子，即光与物质之间的类似嵌合体的混合体，找到了解决这一问题的方法。这些较重的准粒子之间的碰撞使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，最终实现整个QIST基础设施。
【科学探索|科学家们为“第二次量子革命”开发实验平台】然而，一个主要的挑战是这些基于光子的偏振子的寿命有限，因为它们与环境的辐射耦合导致了不可控的自发衰变和退相干。

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根据Schneble及其同事的说法，他们发表的极光子研究完全规避了自发衰变造成的这种限制。他们的偏振子的光子方面完全由原子物质波来承载，对其来说，这种不需要的衰变过程并不存在。这一特点打开了进入参数体系的通道，而这些参数体系在基于光子的偏振子系统中是不存在的，或者说还没有进入。
“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朝着QIST及其应用发展的‘第二次量子革命’，包括在IBM、Google和亚马逊等公司，”文理学院物理和天文学系教授Schneble说。“我们的工作强调了一些基本的量子力学效应，这些效应对QIST中出现的光子量子系统很有意义，包括半导体纳米光子学和电路量子电动力学。”
纽约州立大学石溪分校的研究人员在一个平台上进行了他们的实验，这个平台的特点是超冷原子在一个光学晶格中，这是一个由光的驻留波形成的蛋壳状的潜在景观。他们使用一个具有各种激光器和控制场并在纳开尔文温度下运行的专用真空设备，实现了一个场景，其中被困在晶格中的原子用由脆弱的、蒸发的物质波组成的真空激发云“打扮”自己。
研究小组发现，作为一个结果，极化粒子变得更加灵活。研究人员能够通过轻轻摇晃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，物质波偏振子在晶格中跳跃，相互作用，并形成稳定的准粒子物质相。
Schneble解释说：“通过我们的实验，我们在一个新的体系中对激子-极子系统进行了量子模拟。寻求进行这样的‘模拟’仿真，而且是‘模拟’，即相关的参数可以自由拨动，这本身就构成了QIST的一个重要方向。”