? ?如果說量子世界最怕“內(nèi)耗”,那這項工作偏要把內(nèi)耗變成發(fā)動機:維也納工業(yè)大學(TUWien)與沖繩科學技術(shù)大學院大學(OIST)的團隊,做出了首個“自誘導(dǎo)超輻射”量子微波激射現(xiàn)象,微波信號在沒有持續(xù)外部泵浦的情況下還能自己續(xù)航。
? ?這并非是另一條更為強勁的曲線,而是一種既更具危險性又更具吸引力的宣稱,未來的精密信號源,或許不再依賴外界來提供能量,而是憑借系統(tǒng)內(nèi)部相互制約來保持秩序。
? ?他們的論文題為《Self-inducedsuperradiantmasing》,發(fā)表于《NaturePhysics》。研究平臺是把鉆石中的氮空位(NV)中心自旋系綜耦合到微波腔里,讓許多量子自旋共享同一個電磁模式。
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? ?關(guān)鍵反轉(zhuǎn)發(fā)生在“按理說應(yīng)該結(jié)束”的那一刻:在一次快速的超輻射爆發(fā)之后,系統(tǒng)不是安靜衰減,而是出現(xiàn)后續(xù)的發(fā)射脈沖列,并進入準連續(xù)微波激射,最長可達1毫秒。從直覺上看,這幾乎等于把“量子系統(tǒng)會很快散掉”這條經(jīng)驗,當場改寫。
? ?從數(shù)據(jù)層面來講是比較有說服力的,它們的微波腔諧振頻率大概是3.1GHz,腔線寬大約是418kHz,可是準連續(xù)激射段的觀測線,寬卻僅僅大概是5–20kHz,論文著重指出這比腔線寬還有單自旋線寬都窄了兩個數(shù)量級。
? ?若用工程技術(shù)術(shù)語來表述,關(guān)鍵不在于更大功率,而在于能否實現(xiàn)更窄線寬、更穩(wěn)定相位的微波源,雛形這才是精準制約GPS、雷達、通信及計量領(lǐng)域的核心所在,新聞稿中也直接指出,該技術(shù)有望為導(dǎo)航、常規(guī)通信以及量子通信等對高穩(wěn)定性微波信號有迫切需求的領(lǐng)域提供支撐。這些應(yīng)用看似遙遠,實則構(gòu)成了現(xiàn)代社會運行所依賴的時間與頻率基石。
? ?更值得盯緊的,是它的物理機制并不靠“更完美的隔離”,反而靠“更復(fù)雜的相互作用”。
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? ?論文指出,這種持續(xù)發(fā)射來自“譜洞回填”(spectralholerefilling):自旋反轉(zhuǎn)會被重新分配回與腔共振、能參與超輻射的那一窗頻段。
? ?團隊還做了最多到一百萬自旋的微觀模擬,用來證明自誘導(dǎo)激射確實由自旋—自旋的偶極相互作用驅(qū)動。
? ?在新聞稿里,第一作者WenzelKersten把它講得更直白:那些看似“臟亂”的自旋相互作用,反而在給發(fā)射“供能”,系統(tǒng)從通常會摧毀相干性的無序中組織出高度相干的微波信號。OIST的KaeNemoto也強調(diào),這改變了對量子世界的理解:過去被認為會破壞量子行為的相互作用,可以被用來“創(chuàng)造”它。
? ?這里存在一條需明確的界限,實驗并非能憑空就實現(xiàn)永動,它還是得有初始制備的,比如說得把自旋系綜先翻轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)態(tài)之類的,不過奇妙之處在于后面的續(xù)航,以及再點火,不再需要持續(xù)的外部泵浦了,而是依靠內(nèi)部相互作用把可用反轉(zhuǎn)不斷送至“可輻射窗口。
? ?我認為,這比研發(fā)出一個新器件更具深遠意義,它預(yù)示著量子工程的下一個階段,或許將從消除耦合轉(zhuǎn)向駕馭耦合。
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? ?從行業(yè)角度,這條路一旦走通,意義不只是替代某個傳統(tǒng)微波源,而是給“固態(tài)、可集成、超窄線寬”的微波基準多開一扇門。論文討論也提到,這些發(fā)現(xiàn)指向由微波驅(qū)動自旋控制所供能的超窄線寬固態(tài)超輻射微波激射器的可能性。這會把“精密頻率源”從昂貴笨重的少數(shù)設(shè)備,推向更接近芯片系統(tǒng)的形態(tài)。
? ?當然,真實的關(guān)鍵區(qū)別,在于可反復(fù)性以及可工程化方面,能不能穩(wěn)定地反復(fù)出現(xiàn)1毫秒級的線寬還有,頻漂把控到計量級、能不能在不同材料與腔結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移,TUWien的J?rgSchmiedmayer在新聞稿里也同樣把重點放在量子傳感上:這種機制或許會讓探測微小磁電場變化的量子傳感器,更加優(yōu)異,而且有可能對醫(yī)學成像這類應(yīng)用產(chǎn)生作用。
? ?如果“噪聲般的相互作用”都能被改造成相干信號的燃料,這樣下一批量子器件,你更看好它先改變哪一塊——更穩(wěn)的導(dǎo)航時鐘、更靈敏的成像,還是更便宜的實驗室微波基準?你希望把這種“自誘導(dǎo)續(xù)航”的思想,用到激光、太赫茲還是量子計算的哪一環(huán)?
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