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俄羅斯和日本科學家利用“人造單原子”方法，成功研制出量子放大器，使在芯片上建立量子放大器等量子元件的技術向前推進了一步，該科研成果將在電子和光學等領域得到廣泛應用。相關研究報告發(fā)表在近期出版的《物理評論快報》上。

作為利用量子效應來放大信號的設備，量子放大器以多種不同形式呈現(xiàn)在人們眼前。其中最普遍的形式應該是激光，借助受激輻射過程將光子從原子中激發(fā)出來。而實現(xiàn)量子放大器可調(diào)可控的一種途徑就是利用單個原子或分子建立相關系統(tǒng)。然而，由于自然的原子與需放大的電磁波的耦合性很弱，單原子的量子放大器迄今為止都難以制成。

俄羅斯科學院列別德物理研究所和日本電氣公司（NEC）納米電子研究實驗室組成的研究小組，利用“人造單原子”方法成功解決了這一問題。

研究人員介紹說，所謂“人造單原子”，就是一種在普通硅基芯片上人工制成的金屬薄膜，它由多個單元組成，包括高頻輻射傳輸線、共振器和一個納米超導結構等。這一“單原子”能與一維空間的電磁模式強烈耦合，從而可實現(xiàn)電磁波放大過程的可調(diào)可控。

研究人員表示，研究的關鍵在于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的準備，這在激光中也是一樣。實驗中所用的“人造單原子”具有三個分立能級，研究人員通過向該“人造單原子”發(fā)射特定頻率的電磁信號，可使其從基態(tài)激發(fā)至第二受激態(tài)。此后，“人造單原子”將部分恢復至基態(tài)，部分恢復至第一受激態(tài)。當處于第一受激態(tài)的光子數(shù)多于處于基態(tài)的光子時，就會發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。隨后科研人員將另一個需放大的脈沖信號傳遞給“人造單原子”，這時，就會與基態(tài)粒子和第一受激態(tài)的粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生共振，刺激這一轉(zhuǎn)換使光子從“人造單原子”中釋放出來，從而實現(xiàn)了信號的全面放大。

研究人員計算出的放大器的最大增益可達1.09，相當于平均每100個入射光子就會釋放109個輻射光子，而理論最大增益為1.125。研究人員稱，如果使用更多的原子，則可獲得更大的增益。

研究人員表示，“人造單原子”為制造基本的量子放大器提供了新思路，其可被用作大規(guī)模、可調(diào)整的量子放大器組件，也為實現(xiàn)量子太陽能電池的量產(chǎn)帶來了希望。