当光波接近电介质时，其电场会轻微扰动电介质原子的电子。当电子回弹时，它会摇摆数次，就像推动一个秋千一样。这就是研究人员发现的非线性特征。

设备中的孔的尺寸与间距根据特定的光频率——设备的「谐振频率」而定制。而电介质电子的摇摆会改变这个频率。

通常，这种改变是轻微的，可以忽略不计。但研究人员集中了进入光子的电场，从而放大了这种变化。单个光子仍然可以穿越设备，但如果两个光子试图穿过，由于扰动的加剧，它们都会被击退。

实用潜力

这套设备可被调整为谐振频率显着变化仅在试图进入其中的光子具有特定的量子特性（例如极化或相位的特定组合）时才发生。这样以来，一个光子的量子态可以决定另一个光子被处理的方式，即量子逻辑门的基本要求。

Englund 强调，新的研究不会在近期内产生一个可工作的量子计算机，进入原型设备的光仍然会被分散或吸收，而光子的量子态可能会轻微变形。不过其他应用或许在短期内就可以实现。例如，该设备的一个版本可以提供单光子的可靠来源，这将大大推动量子信息与通信科学的发展。

「这项研究独特而令人印象深刻，它展示了光-物质强相互作用，光的本地化，以及在半导体这种微小空间中，光子能够存储相对较长时间，」Raytheon BBN Technologies 的纳米光子学研究员 Mohammad Soltani 说道。「它可以让此前存在疑虑的任务成为可能，如如量子信息的非线性单光子门。它在室温下工作，是固态的，与现有半导体设备兼容。这一研究对量子信息设备等课题而言是最有希望的方向。」

论文：用于单光子非线性的带有超小模量体积的自相似纳米腔设计（Self-Similar Nanocavity Design with Ultrasmall Mode Volume for Single-Photon Nonlinearities）

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.223605

摘要

我们提出了一种具有自相似电磁边界条件（self-similar electromagnetic boundary conditions）的光子晶体纳米振谐腔设计，实现了超小模量体积（Veff/ultrasmall mode volume）。根据边界条件的选择，atv，腔模量中的电能密度可以在空气或电介质区域中最大化。我们用硅-空气一维光子晶体腔来解释这种设计概念，它可以在 λ 约为 1550nm 处达到

的超小模量体积。我们展示了这种设计可以形成极端光集中度，可使得超强 Kerr 非线性，甚至达到单光子级别。这些特性为腔量子电动力学、光谱学和量子非线性光学中开辟了新的方向。

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