超導電路助力人造原子發光，推動量子系統發展

在量子物理學中，我們通常打交道的許多物體只有用特殊的顯微鏡才能看到，例如單個分子或原子。然而，埃琳娜·雷德琴科（Elena Redchenko）在維也納工業大學原子與亞原子物理研究所研究的量子物體甚至可以用肉眼看到（稍加努力的話）：它們的尺寸達數百微米。按照人類的標準仍然很小，但在量子物理學領域已經算是巨大的了。

這些巨大的量子物體是超導電路——在這種結構中，電流在低溫下流動時沒有任何電阻。與具有由自然決定的固定特性的原子不同，這些人造結構具有極高的可定製性，能讓科學家以可控的方式研究不同的物理現象。它們可被視爲“人造原子”，其物理特性可以隨意調整。

把它們耦合起來後，就創建了一個能用來存儲和檢索光的系統——這是進一步開展量子實驗的一個重要先決條件。這個實驗是在奧地利科學技術研究所（ISTA）的約翰內斯·芬克（Johannes Fink）團隊中進行的，維也納工業大學理論物理研究所的斯特凡·羅特（Stefan Rotter）提供了理論方面的合作。研究結果現已發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上。

量子物理學的一個關鍵特性是，某些物體只能呈現非常特定的能量值。“圍繞原子核運動的電子可以處於較低能量狀態或較高能量狀態，但絕不可能處於兩者之間的狀態，”這篇論文的第一作者埃琳娜·雷德琴科說。

“兩者之間的所有數值在物理上根本不可能存在。然而，利用我們的人造原子，我們可以選擇哪些能量值是被允許的。對於每個人造原子，我們能精確設定物理上允許的能量值之間的間距大小。”

微波經由一根特殊的金屬線（一種諧振器）發送，該金屬線直接經過超導人造原子。這些微波如今能夠影響超導人造原子：部分微波輻射能夠從金屬線進入人造原子，然後再返回。這種相互作用的強度也可以進行特定的調節。

“我們可以證明，光子以一種精確可預測的方式在金屬線中的微波和人造原子之間交換，”埃琳娜·列琴科（Elena Rechenko）說。“這之所以成爲可能，是因爲我們的人造原子給予我們極大的工程自由度，使我們能夠根據確切需求定製系統。這就意味着，我們現在能做到那些用原子或者其他天然量子物體時無法想象的事情。”

如果人造原子被正確調整，就有可能產生非常特殊的光脈衝節奏。列琴科解釋說：“我們嚮導線發送一個短的經典微波脈衝，但與人造原子的相互作用能夠產生一系列量子光脈衝，這些脈衝之間的時間間隔是我們可以控制的。這就像是一個芯片上的量子定時器。”

列琴科說：“在我們的工作中，我們已經展示了這個系統有多靈活，以及它用於各種不同量子實驗時能有多精確。”

例如，你可以利用它來產生單個的、彼此清晰分離的光子——這對許多實驗來說都很重要。但你也可以利用它將光子暫時儲存一段時間，直至光子再次被釋放——這是另一項有望帶來令人興奮的新應用的技術。