俄羅斯和日本科學(xué)家利用“人造單原子”方法，成功研制出量子放大器，使在芯片上建立量子放大器等量子元件的技術(shù)向前推進(jìn)了一步，該科研成果將在電子和光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

作為利用量子效應(yīng)來(lái)放大信號(hào)的設(shè)備，量子放大器以多種不同形式呈現(xiàn)在人們眼前。其中最普遍的形式應(yīng)該是激光，借助受激輻射過(guò)程將光子從原子中激發(fā)出來(lái)。而實(shí)現(xiàn)量子放大器可調(diào)可控的一種途徑就是利用單個(gè)原子或分子建立相關(guān)系統(tǒng)。然而，由于自然的原子與需放大的電磁波的耦合性很弱，單原子的量子放大器迄今為止都難以制成。

俄羅斯科學(xué)院列別德物理研究所和日本電氣公司（NEC）納米電子研究實(shí)驗(yàn)室組成的研究小組，利用“人造單原子”方法成功解決了這一問(wèn)題。

研究人員介紹說(shuō)，所謂“人造單原子”，就是一種在普通硅基芯片上人工制成的金屬薄膜，它由多個(gè)單元組成，包括高頻輻射傳輸線(xiàn)、共振器和一個(gè)納米超導(dǎo)結(jié)構(gòu)等。這一“單原子”能與一維空間的電磁模式強(qiáng)烈耦合，從而可實(shí)現(xiàn)電磁波放大過(guò)程的可調(diào)可控。

研究人員表示，研究的關(guān)鍵在于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的準(zhǔn)備，這在激光中也是一樣。實(shí)驗(yàn)中所用的“人造單原子”具有三個(gè)分立能級(jí)，研究人員通過(guò)向該“人造單原子”發(fā)射特定頻率的電磁信號(hào)，可使其從基態(tài)激發(fā)至第二受激態(tài)。此后，“人造單原子”將部分恢復(fù)至基態(tài)，部分恢復(fù)至第一受激態(tài)。當(dāng)處于第一受激態(tài)的光子數(shù)多于處于基態(tài)的光子時(shí)，就會(huì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。隨后科研人員將另一個(gè)需放大的脈沖信號(hào)傳遞給“人造單原子”，這時(shí)，就會(huì)與基態(tài)粒子和第一受激態(tài)的粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生共振，刺激這一轉(zhuǎn)換使光子從“人造單原子”中釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的全面放大。

研究人員計(jì)算出的放大器的最大增益可達(dá)1.09，相當(dāng)于平均每100個(gè)入射光子就會(huì)釋放109個(gè)輻射光子，而理論最大增益為1.125。研究人員稱(chēng)，如果使用更多的原子，則可獲得更大的增益。

研究人員表示，“人造單原子”為制造基本的量子放大器提供了新思路，其可被用作大規(guī)模、可調(diào)整的量子放大器組件，也為實(shí)現(xiàn)量子太陽(yáng)能電池的量產(chǎn)帶來(lái)了希望。