摘要：一组研究人员开发了一种新的方法来使用特殊的工程结构来控制光相互作用，称为3D光子晶体腔，该结构可以在量子计算，量子通信和其他基于量子的技术中实现变革性的进步。...

莱斯大学研究人员的团队已经开发了一种新的方法来使用特殊工程的结构，称为3D光子晶体腔。他们的作品发表在期刊上自然通讯，为可以在量子计算，量子通信和其他基于量子的技术方面实现变革性进步的技术奠定基础。

赖斯的应用物理学研究生课程和研究的第一作者Fuyang Tay说：“想象一下站在一个被镜子包围的房间里。” “如果您在内部发光手电筒，光线将来回反射，无休止地反射。这类似于光学腔的工作原理 - 一种量身定制的结构，可在反射表面之间捕获光线，从而使其以特定的模式反弹。”

这些具有离散频率的模式称为空腔模式，它们可用于增强光线相互作用，使它们在量子信息处理，开发高精度激光器和传感器以及构建更好的光子电路和光纤网络中可能有用。光腔很难构建，因此使用最广泛的腔具有更简单的一维结构。

Tay与水稻博士校友Ali Mojibpour和其他团队成员一起建造了一个复杂的3D光学腔，并将其用于研究多个腔模式如何与暴露于静态磁场的自由移动电子相互作用。指导他们调查的关键问题是，当多个腔模式同时与电子相互作用时会发生什么。

“众所周知，电子相互互动，但光子却没有。” Karl F. Hasselmann工程学教授，电气和计算机工程和材料科学教授及纳米工程和研究的作者Junichiro Kono说。 “该空腔局限于光线，该光线强烈增强了电磁场，并导致光与物质之间的强耦合，从而形成量子叠加状态 - 所谓的极化剂。”

极地元素（也称为混合光含量状态）提出了一种以很小的尺度控制和操纵光线的方法，这可以使能够更快，更节能的量子计算和通信技术。极地也可以集体行为，从而产生量子纠缠状态，该状态可用于新型的量子电路和传感器。

如果相互作用的结合光子和电子中的电子非常强烈 - 到光和物质之间的能量交换如此之快，以至于它消除了耗散，那么一种新的策略就被称为Ultrastrong耦合。

泰伊说：“ Ultrastrong耦合描述了光与两者深度杂交之间的异常互动方式。”

研究人员使用Terahertz辐射来观察3D光学腔内的腔模式和电子夫妇如何在实验挑战中引入诸如超速温度和强磁场的需求之类的挑战。

他们不仅发现不同的腔模式与超级耦合方案中的移动电子相互作用，而且这种多模式光耦合耦合取决于传入光的偏振，这触发了两种形式的相互作用之一。

泰伊说：“根据光的极化，腔模式保持独立，或者它们混合在一起，形成全新的混合模式。” “这表明我们可以通过磁场中的电子互相交谈，以使不同的腔模式'交谈'，从而创造了新的相关状态。”

如果最初研究人员主要集中于3D光子晶体腔如何增加光结构的耦合，那么意识到该设置可用于诱导物质介导的光子偶联耦合，这是研究中的“ AHA时刻”，是在研究中的Andrey Baydin，Andrey Baydin，Andrey Baydin，Andrey Baydin，是电气和计算机工程学的助理和计算机工程学的赖斯和赖斯和计算机研究的助理。

Kono说：“这种物质介导的光子光子耦合可以导致量子计算和量子通信中的新方案和算法。”

电气和计算机工程助理教授亚历山德罗·阿拉巴斯特（Alessandro Alabastri）与他的实验室博士后研究员斯蒂芬·桑德斯（Stephen Sanders）一起开发了对腔结构的模拟，复制了在实验过程中观察到的材料特性和电磁场动力学。

阿拉巴斯特里（Alabastri）赞扬了泰伊（Tay），因为他有兴趣理解除了实验方面的模拟方面的兴趣。

Alabastri说：“他是一个实验家，但我发现真正有趣的是他真的也愿意学习计算部分。”

通过提供一种新的方法来工程光 - 物质相互作用和Ultrastrong Phot-Photon耦合，研究结果为开发过度量子的量子处理器，高速数据传输和下一代传感器铺平了道路。

“量子现象或国家是著名的脆弱，”柯诺说。 “空腔量子电动力学是量子技术的新兴研究领域，在该领域中，空腔设置为保护和利用量子状态提供了受控的环境。在大米，我们在量子科学研究中非常活跃 - 我们正在应对该领域的一些最大挑战。”

这项工作得到了美国陆军研究办公室（W911NF2110157），戈登和贝蒂·摩尔基金会（11520），W.M.的支持。凯克基金会（995764）和罗伯特·A·韦尔奇基金会（C-1509）。这里的内容仅是作者的责任，并不一定代表资助组织和机构的官方观点。