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可控。

研究人員表示，研究的關鍵在于粒子數(shù)反轉的準備，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。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)轉換產生共振，刺激這一轉換使光子從“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、可調整的量子放大器組件，也為實現(xiàn)量子太陽能電池的量產帶來了希望。