僅用一個(gè)光子就能開啟和關(guān)閉物理過程的能力是量子光子技術(shù)的基本組成部分。在芯片規(guī)模的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)對(duì)于可擴(kuò)展性至關(guān)重要，這擴(kuò)大了由物理學(xué)家Vinod Menon領(lǐng)導(dǎo)的紐約城市學(xué)院研究人員的突破。他們首次展示了在固態(tài)材料中使用“里德堡態(tài)”（以前在冷原子氣體中顯示），以將非線性光學(xué)相互作用增強(qiáng)到固態(tài)系統(tǒng)中前所未有的水平。這一壯舉是朝著實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)可擴(kuò)展單光子開關(guān)邁出的第一步。

帶有2D半導(dǎo)體的光學(xué)微腔的示意圖。非線性光學(xué)響應(yīng)來自較大的玻爾半徑Rydberg激子，可將極限推至很少的光子非線性極限。

在固態(tài)系統(tǒng)中，由電子激發(fā)（激子）和光子混合產(chǎn)生的激子極化子，半光半物質(zhì)準(zhǔn)粒子是實(shí)現(xiàn)量子極限非線性的誘人候選物。城市學(xué)院科學(xué)部物理學(xué)主席Menon說：“在這里，我們用原子薄半導(dǎo)體（2D材料）中的Rydberg激子（激子的激發(fā)態(tài)）實(shí)現(xiàn)了這些準(zhǔn)粒子�！薄凹ぷ拥募ぐl(fā)態(tài)由于其較大的尺寸，顯示出增強(qiáng)的相互作用，因此有望進(jìn)入單光子非線性的量子域，如先前在原子系統(tǒng)中用里德伯格態(tài)所證明的那樣。”

Menon認(rèn)為，二維半導(dǎo)體中Rydberg激子-極化子的演示及其增強(qiáng)的非線性響應(yīng)為固態(tài)系統(tǒng)中強(qiáng)光子相互作用的產(chǎn)生邁出了第一步，這是量子光子技術(shù)的必要組成部分。

在Menon的指導(dǎo)下工作的研究生顧潔（Jie Gu）是該研究的第一作者，該研究的標(biāo)題為“通過單層WSe2的激子Rydberg態(tài)增強(qiáng)極化子的非線性相互作用”，該書出現(xiàn)在《自然通訊》上。該團(tuán)隊(duì)還包括斯坦福大學(xué)，哥倫比亞大學(xué)，奧爾胡斯大學(xué)和蒙特利爾理工大學(xué)的科學(xué)家。

美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目經(jīng)理邁克爾·杰霍爾德博士說：“梅農(nóng)教授及其同事的研究可能會(huì)對(duì)陸軍在移動(dòng)陸軍平臺(tái)（例如無人系統(tǒng)）平臺(tái)上進(jìn)行超低能耗信息處理和計(jì)算的目標(biāo)產(chǎn)生巨大影響�！薄霸谖磥硎褂霉庾訉W(xué)的計(jì)算范式中使用的光開關(guān)和非線性將受益于這一進(jìn)步。如此強(qiáng)的耦合效應(yīng)將減少能耗并可能有助于計(jì)算性能。”

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