Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
本文通过工程化实现多次真空拉比振荡，展示了通过超导腔在两个远距离电子自旋量子比特之间进行可控能量转移，从而为半导体自旋量子比特与光子链路的互连建立了基础构建模块。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，宇宙是一个巨大的、隐形的舞池，而能量就是其中的音乐。在量子物理的世界里，最令人兴奋的舞蹈发生在两个截然不同的舞伴相遇时：“自旋”（spin）——它就像原子内部一个微小的旋转磁铁，以及“光子”（photon）——它是单个的光包。通常情况下，这两者并不会进行太多交流。但如果将光捕捉在一个特殊的盒子（腔体）中，并让自旋与光以完全相同的速度振动，它们就能开始一场完美的、有节奏的交换。它们来回传递能量，就像两个在秋千上互相推搡的孩子，越推越高。这被称为“真空拉比振荡”（Vacuum Rabi oscillation）。科学家们之所以关注这一点，是因为这是物质与光之间终极的握手。如果我们能掌握这种舞蹈，我们就能构建一个“量子互联网”，让信息以光的形式在计算机之间飞驰，连接起相距甚远的微型处理器，就像通过邮寄信件传递信息一样快，但速度却是光速。
在这项新的研究中，代尔夫特理工大学和 QuTech 的研究人员决定尝试看看，是否能利用一种非常特定的装置，让这种舞蹈在两个遥远的舞伴之间发生。他们制造了一个由硅和超导金属组成的小型器件，其中包含两个“双量子点”（本质上是捕捉单个电子的微型笼子），这两个量子点相距 250 微米——大约是一个人头发丝的宽度。这些笼子通过一根超导导线连接，这根导线充当了微波光子的高速公路。该团队的目标是观察他们是否能将一个电子自旋中的单个能量单位转化为一个光子，将其沿着导线发送出去，然后让第二个电子接住它，并将其转回能量。
研究人员发现，他们确实可以实现这一点。通过精心设计的电压脉冲定时，他们能够开启和关闭该系统，让第一个电子与微波腔进行“舞蹈”。他们观察到能量来回交换了多次，证实了自旋与光子之间紧密耦合。这种舞蹈非常强烈，以至于他们可以在正好进行到一半时停止它，从而有效地将能量捕捉为腔内的单个光子。然后，他们让第二个电子加入这场舞蹈。正如预期的那样，第二个电子接住了光子并吸收了它的能量，完成了从第一个遥远自旋到第二个自旋的能量转移。
为了证明传递的能量确实是单个光子而非模糊的能量云，团队进行了一个聪明的技巧。他们从两个处于激发态的电子开始，将其中一个交换到腔体中，使腔体内恰好留下一个光子。当他们让第二个电子与这个“充满”的腔体共舞时，交换的节奏加快了。这种加速是存在单个光子的已知特征，证实了他们成功创建了一个“福克态”（Fock state）——即具有精确粒子数量的状态。团队测量了这种加速现象，并计算出在这些测试过程中，腔体平均持有约 0.65 到 0.69 个光子，这非常接近理想的单光子状态，尽管并不完美。
论文还指出，虽然舞蹈很成功，但并非完全平滑。电子失去节奏的速度比科学家在硅芯片中通常看到的要快一些，这可能是由于背景中存在的隐形电噪声造成的。然而，尽管存在这种噪声，他们仍能看到多轮振荡，这本身就是一个重要的进步。研究人员建议，随着未来设备中使用更纯净的材料和更好的工程技术，这种方法可以成为连接量子计算机的一种可靠方式，将这些微小的硅自旋转变为一个庞大、光速网络的节点。
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