Junichiro Kono. Credit: George Vidal / Rice University

莱斯大学的一个研究小组利用一种名为三维光子晶体腔的特殊工程结构，开发出了一种控制光相互作用的新方法。 他们的研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上，为量子计算、量子通信和其他量子技术的变革性进步奠定了技术基础。

"想象一下，你站在一个四周都是镜子的房间里，"莱斯大学应用物理学研究生项目校友、该研究第一作者富阳-泰（Fuyang Tay）说。 "如果你用手电筒向里面照射，光线会来回反弹，无休止地反射。 这类似于光腔的工作原理--一种量身定制的结构，能在反射面之间捕捉光线，让光线以特定的模式反弹。"

这些具有离散频率的模式被称为空腔模式，它们可用于增强光与物质的相互作用，使其在量子信息处理、开发高精度激光器和传感器以及构建更好的光子电路和光纤网络方面具有潜在的用途。 光腔很难制造，因此最广泛使用的光腔都具有更简单的单维结构。

Tay 与莱斯大学的博士校友 Ali Mojibpour 及其他团队成员一起建造了一个复杂的三维光腔，并用它来研究多种腔模式如何与暴露在静态磁场中的自由移动电子薄层相互作用。 指导他们研究的关键问题是当多个空腔模式同时与电子相互作用时会发生什么。

"卡尔-哈塞尔曼（Karl F. Hasselmann）工程学教授、电气与计算机工程学教授、材料科学与纳米工程学教授、该研究的通讯作者河野纯一郎说："众所周知，电子之间有强烈的相互作用，但光子却没有。 "这种空腔会限制光，从而强烈增强电磁场，导致光与物质之间的强耦合，产生量子叠加态--即所谓的极化子"。

极化子也被称为光-物质混合态，它提供了一种在极小尺度上控制和操纵光的方法，可以实现更快、更节能的量子计算和通信技术。 极化子还可以集体行动，产生量子纠缠态，可用于新型量子电路和传感器。

如果将光子和电子结合成极化子的相互作用极其强烈，以至于光和物质之间的能量交换如此之快，以至于无法耗散，那么就会出现一种新的机制，即超强耦合。

"Tay说："超强耦合描述了光与物质之间的一种不寻常的相互作用模式，在这种模式下，两者会发生深度杂化。

研究人员利用太赫兹辐射来观察空腔模式和电子如何在三维光学空腔内耦合，克服了需要超低温和强磁场等实验挑战。

他们不仅发现不同的腔模以超强耦合方式与运动电子相互作用，还发现这种多模态光-物质耦合取决于入射光的偏振，偏振会引发两种形式的相互作用。

"Tay说："根据光的偏振，空腔模式要么保持独立，要么混合在一起，形成全新的混合模式。 "这表明我们可以设计出不同空腔模式在磁场中通过电子相互'交谈'的材料，从而产生新的相关态。

如果说研究人员最初主要关注的是三维光子晶体空腔如何增强光-物质耦合，那么莱斯大学电气与计算机工程助理研究教授、该研究的共同作者安德烈-拜丁（Andrey Baydin）说，研究人员意识到这一装置可用于诱导物质介导的光子-光子耦合，这是研究中的 "啊哈时刻"。

"科诺说："这种由物质介导的光子-光子耦合可以为量子计算和量子通信带来新的协议和算法。

电气与计算机工程助理教授亚历山德罗-阿拉巴斯特里（Alessandro Alabastri）与其实验室的博士后研究员斯蒂芬-桑德斯（Stephen Sanders）共同开发了空腔结构模拟，复制了实验中观察到的材料特性和电磁场动态。

Alabastri称赞Tay除了实验方面的工作外，还对了解模拟方面的工作很感兴趣。

"他是一个实验家，但我发现真正有趣的是，他也非常愿意学习计算部分，"Alabastri 说。

研究成果提供了一种新的方法来设计光-物质相互作用和超强光子-光子耦合，为开发超高效量子处理器、高速数据传输和下一代传感器铺平了道路。

"量子现象或状态是出了名的脆弱，"担任莱斯大学斯马利-科尔研究所所长的科诺说。 "空腔量子电动力学是量子技术的新兴研究领域，空腔设置为保护和利用量子态提供了受控环境。 在莱斯大学，我们在量子科学研究方面一直非常活跃--我们正在应对该领域的一些最大挑战"。

More information: Fuyang Tay et al, Multimode ultrastrong coupling in three-dimensional photonic-crystal cavities, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58835-x

Journal information: Nature Communications

Provided by Rice University