A tunable chiral light–matter interface with on-chip spin control

在构建由量子力学驱动的未来互联网的过程中，科学家们正在学习如何驾驭微观尺度下光与物质的奇异行为。该领域的一个核心概念是“手性”（chirality），这是一种物体或相互作用具有明显“左右手之分”的属性，就像左手无法与右手完美重叠一样。在光线穿过微小通道的世界里，手性意味着光子的移动方向与其自旋（即其在传播过程中的扭转方式）是锁定在一起的。如果一个光子向一个方向旋转，它就只能向前移动；如果它向另一个方向旋转，它就只能向后移动。这种单向交通对于构建量子网络极其珍贵，因为它允许信息进行路由，而不会丢失或因反向弹回而产生自身干扰。然而，由于所使用的材料往往会让光以不完美的方式扭转，导致一些光子向错误的方向泄漏，因此在计算机芯片内部创建一个完美的单向光路一直是一个难题。

一组研究人员现在找到了一种无需重新设计物理芯片即可解决这一问题的方法。他们并没有试图在材料中刻蚀出一条完美的路径，而是利用外部磁场来调节芯片内发光原子的行为。通过仔细调整磁场的角度和强度，他们能够迫使光以极高的效率沿单一选定方向流动。这一突破将一个标准的、不完美的芯片变成了一个控制量子信息的高精度工具，为构建能够连接远程计算机的大规模量子网络开辟了一条灵活的路径。

研究人员使用的是一种被称为光子晶体波导的微型装置，它本质上是在半导体中刻蚀出的微观光路高速公路。在这条高速公路中坐落着一个量子点，这是一个纳米级的材料斑点，充当了人工原子的角色。这个量子点包含一个带负电的激子，这是一种电子与一个“空穴”（电子的缺失）结合在一起的状态，形成了一个能与光相互作用的四能级系统。在典型的设置中，通过波导传输的光并非完美的圆偏振光，而是略呈椭圆形，这意味着它的扭转方式并不完全圆润。这种缺陷通常会导致光向两个方向同时泄漏，从而破坏单向效应。

为了解决这个问题，团队在芯片上施加了一个磁场。他们发现，通过将磁场倾斜到一个特定的斜角，可以改变量子点内部能级与光相互作用的方式。这种调整有效地旋转了量子点内发光偶极子的取向。想象一下，将这些原子的发光部分视为微型天线，磁场让科学家们能够转动这些天线，直到它们完美对齐，从而只向波导的一个方向发送光，同时抵消在相反方向的发射。尽管波导本身并非为这项任务设计的完美结构，但磁场调节补偿了这一缺陷。结果显示，其定向发射效率达到了99%，只有极小比例的光向了错误的方向。

除了定向引导光线之外，研究人员还展示了这种磁控技术如何能以更复杂的方式调节系统的行为。他们观察到，磁场可以创造出一种对某种特定类型光发射的强烈偏好，他们称之为“手性分支比”。在一种特定的配置下，他们实现了一个比例，即其中一种跃迁发生的可能性是另一种的134倍。这具有重要意义，因为这使得科学家不仅能控制光的去向，还能控制涉及该过程的电子内部状态。这种水平的控制对于创建“循环”系统至关重要，在循环系统中，电子可以被激发并重复发射光，而不会改变其基本状态，这是可靠地读取和写入量子信息的必要条件。

该团队还证明了这种设置可以用于直接利用通过波导传输的光来控制电子自旋。通过使用一种称为拉曼散射的过程（即两个光子相互作用以翻转自旋），他们能够高精度地旋转电子的状态。这是量子计算中的关键一步，因为它证明了信息可以在芯片上进行操纵，而无需为每一次操作都配备复杂的外部布线。磁场使他们能够优化这一过程，确保光能高效地驱动自旋变化，同时最大限度地减少不必要的噪声或误差。

最后，研究人员提出了一种利用该技术在两个远程量子计算机之间建立纠缠的方法。纠缠是一种现象，即两个粒子变得相互关联，使得其中一个粒子的状态会瞬间影响另一个，无论距离多远。他们的方案包括将来自两个独立芯片的光发送到一个中央分束器中。由于磁场确保了光能以高效率仅向一个方向传输，系统可以通过检测到单个光子，并基于此检测来确认两个远程电子自旋已经实现了纠缠。论文指出，这种方法比以往的方法对信号损失具有更强的鲁棒性，使其成为构建现实世界量子互联网的实用候选方案。

这项工作凸显了科学家对待纳米光子器件方式的转变。他们不再试图制造一个难以制造的完美、静态结构，而是利用磁场来动态地重新配置器件的特性。这种方法意味着，标准的、不完美的芯片只需通过调节一个外部旋钮，即可升级到执行最高水平精度的任务。这些发现提供了一套通用的工具包，用于增强芯片上光与物质的相互作用，为构建构建复杂量子网络所需的、可重构的路径提供了清晰的方向。