原子“呼吸”的声音：一种新型的量子光源

科学家们已经找到了一种方法来检测原子“呼吸”，即两个原子层之间的机械振荡。这种原子“呼吸”的声音可以帮助研究人员编码和传递量子数据。

量子光源是一种能够发射单个光子的器件，它们在量子信息科学和技术中有着重要的应用。例如，单个光子可以用来携带和传输量子比特，也就是量子计算机中的基本信息单位。为了实现高效和可靠的量子通信和计算，我们需要能够精确地控制和利用量子光源中的不同物理效应。

最近发表在《自然·纳米技术》的一篇论文中，来自美国明尼苏达大学、华盛顿大学和加州大学伯克利分校的研究团队报道了一种新型的量子光源，它具有强大且可调的激子与声子的耦合。激子是一种由电子和空穴组成的复合粒子，它们可以吸收或发射光子。声子是一种描述晶体中原子振动的量子化波，它们可以影响激子的能量和寿命。通过调节激子与声子之间的相互作用，我们可以实现对量子光源性能的优化和调制。

这种新型的量子光源是基于二维材料二硒化钨(WSe2)制成的。WSe2是一种由两层原子构成的薄片，它具有特殊的电学和光学性质。研究人员利用应力技术，在WSe2双层之间创造了一系列的量子点。量子点是一种能够限制电荷在三个空间方向上运动的纳米结构，它们可以产生离散的能级和强度高且窄带的发光。在WSe2双层中，量子点包含了层间激子，即由上下两层中的电子和空穴组成的激子。层间激子具有垂直于双层平面的偶极矩，这意味着它们可以被外加电场有效地调控。
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除了层间激子之外，WSe2双层中还存在着另一种重要的物理现象：层间呼吸模声子。这是一种描述上下两层原子相对运动的波动模式，它具有很高的频率（约1.4 THz）。由于层间呼吸模声子直接改变了两层之间的距离，从而影响了层间激子的能量，因此它们与层间激子有着非常强烈的耦合关系。这种耦合关系导致了单光子发射谱中出现了多个声子复制线（phonon replica），每一个复制线都对应于一个声子福克态（phonon Fock state）的产生。声子福克态是一种描述声子系统中有确定数量的声子的量子态，它是量子信息处理中的重要资源。

研究人员通过在WSe2双层上加上一对电极，实现了对层间激子与层间呼吸模声子之间耦合强度的电控调节。他们发现，当电场增加时，耦合强度也随之增加，甚至可以超过激子和声子的退相干速率，从而达到强耦合的条件。在强耦合的情况下，激子和声子将形成新的混合态，称为极化声子。极化声子具有更高的非线性和相干性，可以用来实现更高效和更快速的量子操作。

这篇论文展示了一种新型的固态量子激子-光机械系统，它利用了WSe2双层中原子界面处的独特物理效应，产生了与静止声子耦合的飞行光子量子比特。这种系统可以用来实现量子信息的转换和互联，为量子信息科学和技术提供了新的可能性。