超短光脈沖誘導(dǎo)金剛石光學(xué)聲子量子態(tài)的控制

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晶格中原子的超短光脈沖引起的振動(dòng)，稱為光學(xué)相干聲子，已經(jīng)在各種材料中得到控制。然而，通過多種經(jīng)驗(yàn)理論解釋了證明這種控制的不同實(shí)驗(yàn)，并且缺乏基于量子力學(xué)的統(tǒng)一理論。東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功地為這一現(xiàn)象制定了統(tǒng)一的理論，并在鉆石中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其光學(xué)聲子在量子信息技術(shù)中具有很大的應(yīng)用潛力。

當(dāng)光脈沖極短時(shí)進(jìn)入一個(gè)固體，其晶格中的原子開始振動(dòng)?？偟膩碚f，原子的這種振動(dòng)表現(xiàn)出波浪狀和類似粒子的行為，而在量子力學(xué)中，這些振動(dòng)被稱為相干光學(xué)聲子，因?yàn)樗鼈兪怯晒庹T導(dǎo)并在相位上振蕩。聲子可以確定固體的各種物理性質(zhì)，例如熱和電導(dǎo)率。在先前的實(shí)驗(yàn)中，相干光學(xué)聲子的特性，例如幅度和相位，已經(jīng)通過稱為相干控制的技術(shù)在各種材料中成功地控制，這已經(jīng)通過超快激光技術(shù)的進(jìn)步而成為可能。然而，已經(jīng)使用不同的經(jīng)驗(yàn)理論解釋了不同相干對(duì)照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

由東京工業(yè)大學(xué)（東京工業(yè)大學(xué)）的Kazutaka G. Nakamura教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與Keio大學(xué)量子計(jì)算中心的Yutaka Shikano教授和查普曼大學(xué)量子研究所合作，最近制定了一個(gè)從根本上和實(shí)際上解釋的理論框架。相干光學(xué)光子的產(chǎn)生和檢測(cè)。該理論基于涉及兩種電子狀態(tài)的模型以及量子諧振子，量子諧振子是少數(shù)已知精確解的量子力學(xué)系統(tǒng)之一?；谠摾碚摰挠?jì)算表明，受控聲子的幅度可以用兩個(gè)正弦函數(shù)的和來表示。

為了驗(yàn)證這一理論，科學(xué)家們對(duì)鉆石進(jìn)行了相干控制實(shí)驗(yàn)。鉆石是該領(lǐng)域非常重要的材料，因?yàn)槠涔鈱W(xué)聲子的相干控制有望開發(fā)量子記憶。在實(shí)驗(yàn)中，通過采用兩個(gè)極短的激光脈沖實(shí)現(xiàn)相干控制，稱為泵浦脈沖：一個(gè)脈沖引起振蕩，或者是聲子，而另一個(gè)是控制振蕩的幅度。改變兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔以控制所產(chǎn)生的聲子的特性。在兩個(gè)泵浦脈沖之后以延遲發(fā)送的探測(cè)脈沖用于通過檢測(cè)該脈沖相對(duì)于延遲的發(fā)射強(qiáng)度的變化來測(cè)量所產(chǎn)生的聲子的特性。

由金剛石中的泵脈沖引起的受控振蕩的測(cè)量幅度和相位與該理論的預(yù)測(cè)顯示出顯著的一致性。因此，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)相干光學(xué)聲子的相干控制的全面理解。除了電子學(xué)，光學(xué)，材料科學(xué)和超導(dǎo)學(xué)中的其他應(yīng)用之外，該理論預(yù)計(jì)還可用于量子計(jì)算的存儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)。
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