俄羅斯和日本科學家利用“人造單原子”方法，成功研製出量子放大器，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(guan) 研究報告發表在近期出版的《物理評論快報》上。

作為(wei) 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在人們(men) 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(cong) 原子中激發出來。而實現量子放大器可調可控的一種途徑就是利用單個(ge) 原子或分子建立相關(guan) 係統。然而，由於(yu) 自然的原子與(yu) 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(wei) 止都難以製成。

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(jue) 了這一問題。

研究人員介紹說，所謂“人造單原子”，就是一種在普通矽基芯片上人工製成的金屬薄膜，它由多個(ge) 單元組成，包括高頻輻射傳(chuan) 輸線、共振器和一個(ge) 納米超導結構等。這一“單原子”能與(yu) 一維空間的電磁模式強烈耦合，從(cong) 而可實現電磁波放大過程的可調可控。

研究人員表示，研究的關(guan) 鍵在於(yu) 粒子數反轉的準備，這在激光中也是一樣。實驗中所用的“人造單原子”具有三個(ge) 分立能級，研究人員通過向該“人造單原子”發射特定頻率的電磁信號，可使其從(cong) 基態激發至第二受激態。此後，“人造單原子”將部分恢複至基態，部分恢複至第一受激態。當處於(yu) 第一受激態的光子數多於(yu) 處於(yu) 基態的光子時，就會(hui) 發生粒子數反轉。隨後科研人員將另一個(ge) 需放大的脈衝(chong) 信號傳(chuan) 遞給“人造單原子”，這時，就會(hui) 與(yu) 基態粒子和第一受激態的粒子狀態轉換產(chan) 生共振，刺激這一轉換使光子從(cong) “人造單原子”中釋放出來，從(cong) 而實現了信號的全麵放大。

研究人員計算出的放大器的最大增益可達1.09，相當於(yu) 平均每100個(ge) 入射光子就會(hui) 釋放109個(ge) 輻射光子，而理論最大增益為(wei) 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(wei) 製造基本的量子放大器提供了新思路，其可被用作大規模、可調整的量子放大器組件，也為(wei) 實現量子太陽能電池的量產(chan) 帶來了希望。