就像控制電子一樣，科學(xué)家首次創(chuàng)造出：精確控制光子的偽磁力！

為了開(kāi)發(fā)像量子計(jì)算機(jī)這樣的未來(lái)技術(shù)，科學(xué)家們需要找到方法來(lái)控制光子，光子即光的基本粒子，就像科學(xué)家已經(jīng)可以控制電子一樣，電子是電子計(jì)算中的基本粒子。不幸的是，光子遠(yuǎn)比電子更難操縱，電子對(duì)力的反應(yīng)，就像孩子們都能理解的磁力一樣簡(jiǎn)單。但現(xiàn)在，斯坦福大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，首次創(chuàng)造了一種可以精確控制光子的“偽磁力”，其研究成果發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。

在短期內(nèi)，這種控制機(jī)制可以用來(lái)通過(guò)光纜發(fā)送更多的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。其研在未來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)促使基于光的芯片發(fā)明，這種芯片將提供比電子芯片更強(qiáng)大的計(jì)算能力。研究的第一作者、博士后學(xué)者阿維克·達(dá)特(Avik Dut)說(shuō)：我們所做的是如此新奇，以至于可能性才剛剛開(kāi)始成為現(xiàn)實(shí)。從本質(zhì)上說(shuō)，研究人員“欺騙”了本質(zhì)上不具磁性相互作用的光子，使其表現(xiàn)出帶電電子的行為。

研究通過(guò)發(fā)送光子通過(guò)精心設(shè)計(jì)的迷宮來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種方式使光粒子的行為，就像是受到科學(xué)家所稱的“合成”或“人造”磁場(chǎng)作用。電氣工程教授、這項(xiàng)研究背后的資深科學(xué)家范善輝（音譯）說(shuō)：我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生磁力，能夠以可預(yù)測(cè)和有用的方式推動(dòng)光子。雖然仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但這些結(jié)構(gòu)代表了現(xiàn)有計(jì)算模式的進(jìn)步，存儲(chǔ)信息完全是為了控制粒子的可變狀態(tài)。

科學(xué)家們通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉芯片中的電子來(lái)創(chuàng)建數(shù)字0和1來(lái)做到這一點(diǎn)，使用磁性來(lái)控制光子的顏色（或能級(jí)）和自旋（無(wú)論它是順時(shí)針還是逆時(shí)針?lè)较颍┲g相互作用的芯片，會(huì)比簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電子產(chǎn)生更多可變狀態(tài)。這些可能性將使科學(xué)家能夠在基于光子的設(shè)備上處理、存儲(chǔ)和傳輸比今天使用電子芯片可能的更多數(shù)據(jù)。為了將光子帶到產(chǎn)生這些磁效應(yīng)所需的附近，斯坦福大學(xué)的研究人員使用了激光、光纜和其他現(xiàn)成的科學(xué)設(shè)備。

建造這些結(jié)構(gòu)使科學(xué)家們能夠推斷出效果背后的設(shè)計(jì)原則。最終將不得不創(chuàng)造納米級(jí)的結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)同樣的原理來(lái)制造芯片。同時(shí)，已經(jīng)找到了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的新機(jī)制來(lái)控制光子，這是令人興奮的。從超冷原子物理到光子學(xué)，創(chuàng)造合成維度已經(jīng)引起了許多科學(xué)分支的極大熱點(diǎn)。這樣的能力為實(shí)現(xiàn)有效規(guī)范勢(shì)和新穎的拓?fù)湮锢硖峁┝艘粋€(gè)通用平臺(tái)，這些在實(shí)際系統(tǒng)中可能很難或不可能實(shí)現(xiàn)。

本研究還證明了結(jié)構(gòu)化光學(xué)環(huán)腔可以支撐一個(gè)以上的合成維度。在調(diào)制下，諧振器內(nèi)部的不同自由度耦合被用來(lái)合成兩個(gè)額外維度，然后研究人員模擬許多通常與凝聚態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的復(fù)雜物理現(xiàn)象。

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博科園｜研究/來(lái)自：歐洲核子研究中心

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5

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