超短光脉冲诱导金刚石光学声子量子态的控制

超短光脉冲引起的晶格原子振动，称为光学相干声子，已在各种材料中得到控制。然而，通过经验理论对不同的实验证明了这种控制，然而却缺乏基于量子力学的统一理论。而东京工业大学的科学家成功地为这一现象制定了统一的理论，并在金刚石中进行了实验验证，其光学声子在量子信息技术中具有很大的应用潜力。

当极短的光脉冲进入固体时，晶格中的原子开始振动。总的来说，原子的这种振动表现出波浪状和类似粒子的行为，而在量子力学中，这些振动被称为相干光学声子，因为它们是由光诱导并在相位上振荡的。声子可以确定固体的各种物理性质，例如热和电导率。在先前的实验中，相干光学声子的特性，例如幅度和相位，已经通过称为相干控制的技术在各种材料中成功地控制，这已经通过超快激光技术的进步而成为可能。然而，已经使用不同的经验理论解释了不同相干对照实验的结果。因此，由东京工业大学Kazutaka G. Nakamura教授领导的研究小组与庆应大学量子计算中心的Yutaka Shikano教授和查普曼大学量子研究所合作，最近制定了一个理论框架，从根本上和实际上解释了这一代和相干光学光子的检测。该理论基于涉及两种电子状态的模型以及量子谐振子，量子谐振子是已知精确解的少数量子力学系统之一。基于该理论的计算表明，受控声子的幅度可以用两个正弦函数的和来表示。

为了验证这一理论，科学家们对金刚石进行了相干控制实验。金刚石是该领域非常重要的材料，因为其光学声子的相干控制有望开发量子记忆。在实验中，通过采用两个极短的激光脉冲实现相干控制，称为泵浦脉冲：一个脉冲引起振荡，或者是声子，而另一个是控制振荡的幅度。改变两个脉冲之间的时间间隔以控制所产生的声子的特性。在两个泵浦脉冲之后以延迟发送的探测脉冲用于通过检测该脉冲相对于延迟的发射强度的变化来测量所产生的声子的特性。

由金刚石中的泵脉冲引起的受控振荡的测量幅度和相位与该理论的预测显示出显著的一致性。因此，已经实现了对相干光学声子的相干控制的全面理解。除了电子学，光学，材料科学和超导学中的其他应用之外，该理论预计还可用于量子计算的存储系统的开发。 (机器人天空)