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科学家发现新的纯量子二极管效应

随着量子技术的深入发展,量子元器件越来越成为科学家关注的热点。近日,湖南师范大学物理与电子科学学院教授景辉,首次提出了一种具“量子非互易特性”的二极管实现方案。方案涉及的新奇量子二极管效应,有望在单光子态操纵、光量子计算和量子光通讯等领域获得重要应用。这一结果日前发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》上。

所谓“非互易”性,即对同一器件,同一信号从相反方向输入,表现出不一样的输出特性的性质。这种性质在隐形传感、隐形斗篷及噪声屏蔽通信等方面有非常重要的应用,并已在诸多人工光声电器件中被研究和实现。不过,更多为经典力学领域的“非互易”特性应用。

最近,景辉和以色列理工学院科研人员在光学系统中实现了光学二极管:对一个旋转光学微腔,从一边入射的光能完全透射,而从另一边入射的光却无法透射。景辉称,无论电流导通与否、光透射与否,都是大量电子或光子的集体行为,属宏观世界中的经典效应。由此形成的经典二极管,是当今电子电路和无线电通信中不可或缺的元器件。

不过,量子通信及量子计算中需要少光子、甚至单光子级别的量子二极管。这一论文,则提出了一种依赖方向的“非互易光子阻塞”量子二极管实现方案。通过光学微腔旋转,光从左边入射时,光子以均匀时间间隔逐个到达探测器,表现出量子行为。同样的光从右边入射时,大量光子几乎同时到达探测器,表现出经典行为。这一工作也为探究经典世界与量子世界的边界与共存等基础科学问题提供了新的思路和方向。

(记者:俞慧友)

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