量子光子技術的基礎，在於能夠只使用一個光子來打開和關閉物理過程。而在芯片級架構中實現的這一點，對於系統的可擴展性也至關重要。近日，由物理學家Vinod Menon領導的一支紐約城市學院研究團隊，剛剛展示了他們是如何在固態材料中，將“里德堡態”這種特殊的物質狀態提升到前所未有的水平的。

具有二維半導體的光學微腔示意圖（圖自：Rezlind Bushati）

通過將固態系統中非線性光學的相互作用，增強至前所未有的高水平，這項研究也算是邁出了實現芯片級“可擴展單光子開關”（Scalable Single Photon Switches）的第一步。

研究配圖- 1：WSe ₂在DBR上的反射光譜

在固態系統中，由電子激發的激子（excitions）和光子混合產生的激子極化子、以及半光半物質的準粒子，是實現量子極限非線性的有力候選。

紐約城市學院科學物理系主任Vinod Menon 解釋稱：“正如之前在原子系統中的里德堡態所證明的那樣，由於較大的尺寸，激子的激發態可表現出增強的相互作用，因而有望進入單光子非線性的量子域”。

研究配圖- 2：與激發態激子的溫度相關的腔耦合

根據Menon 的說法，二維半導體中的里德堡態激子極化子的演示、及其增強的非線性響應，都代表了在固態系統中產生強光子相互作用的第一步，而這也是量子光子技術的必要組成部分。

研究一作、在Menon指導下開展相關工作的研究生Jie Gu，已將他們的研究成果發表於近日出版的《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。

研究配圖- 3：白光強度相關的腔反射

據悉，研究團隊在這篇文章中詳細解釋了《在單層WSe ₂ 中的激子里德堡態增強極化子的非線性相互作用》。

此外這支研究團隊還包括了來自斯坦福、哥倫比亞、奧胡斯、以及蒙特利爾理工大學等高效的科學家們。

研究配圖- 4：相互作用引起的非線性腔響應

美國陸軍研究實驗室DEVCOM 項目主管Michael Gerhold 博士指出，Menon 教授及其同時的研究進展，或對陸軍在無人系統等移動平台上實現超低能耗的信息處理和計算這個宏大的目標產生深遠影響。

在使用光子學的未來計算範式中，光開關的非線性特性將帶來諸多的益處。這種強耦合相應將降低能耗，並且可能有助於提升計算性能。