原子也能當開關？普渡大學的研究揭示光子「晶體管」新突破

你能想像原子也能像電路中的開關一樣控制光嗎？普渡大學的科學家們成功地把堆積在一起的原子變成了光子的「晶體管」，這個創新有望在未來建造量子網絡！

由普渡大學物理與天文學副教授洪承龍（Chen-Lung Hung）領導的團隊，利用雷射冷卻技術，將銫原子（cesium）「凍結」到接近絕對零度，並將它們緊緊地捕捉在集成光子電路上。這些原子能與光子進行高效互動，類似於電子電路中的晶體管，但這次的「開關」是用來控制光子的。

這些原子被冷卻到負459.67華氏度（接近絕對零度），幾乎完全靜止不動。科學家們利用「拖拉光束」將它們定位在比光波長還短的距離上，這使得它們能非常高效地與光子進行互動。簡單來說，這些原子成了一個超級小巧、精密的「光子」開關。

隨著原子所處狀態改變，光子可順利通過電路或被完全阻斷。

團隊利用最新的奈米製造技術，將光子波導製作成微米級的圓環形共振器，光子可以在這個小小的圓環內不停地循環，與被捕捉的原子互動。當原子處於某種狀態時，光子可以順利通過電路；而當原子處於另一種狀態時，光子則會被完全阻斷。這就像一個可以精確控制的「光子閘門」。

普渡大學的研究生周新潮（Xinchao Zhou）表示：「我們在集成光子芯片上捕捉了多達70個原子，它們能夠集體與光子耦合，控制光子的傳輸。這是前所未有的成就。」

這些被捕捉的原子能共同作用，形成一種強有力的相干光-物質互動，就像船上的槳手同步劃船使船更快前進一樣。而且，這種系統還遵循量子疊加原理，可以儲存和傳輸量子信息，成為未來量子網絡的重要基礎。

未來，這項技術有望應用於分佈式量子計算、集體光-物質互動的研究，以及量子退化氣體和超冷分子的合成等領域。科學家們計劃進一步探索將這些原子有序排列在光子波導上，實現更高效的光子存儲和傳輸，甚至可能在集成光子電路上形成新的量子物質狀態。

洪承龍教授表示：「我們的研究展示了冷原子集成納米光子電路構建量子網絡的潛力，未來有許多令人興奮的方向可以探索。」這些創新讓我們對未來量子技術的發展充滿期待。

這項研究的成果發表在《Physical Review X》上。

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首圖來源：Brian Powell cc By 4.0

圖片來源：Chen-Lung Hung cc By 4.0

參考論文：
1.Trapped Atoms and Superradiance on an Integrated Nanophotonic Microring CircuitPhysical Review X

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