迄今为止，量子光学的研究主要使用与具有明显更大波长的电磁场相互作用的小原子来研究光与物质之间的关系。在一项非常规的新研究中，瑞典查尔姆斯理工大学和马克斯普朗克光学研究所的一个团队开始探索大原子和声场之间的相互作用，波长比原子尺寸低几个数量级。
在之前的一项研究中，来自同一组的一些研究人员表明，基于超导量子位的人造原子可以压电耦合到表面声波。当他们观察到的声音 - 物质相互作用与更传统的光物质相互作用进行比较时，他们发现两者实际上非常相似。
受这些观察的启发，他们开始探索声学系统中光物质相互作用的物理特性。然而，他们发现这只能在参数制度内完成，即使不是不可能，也要在不使用声音的情况下实现。
“我们意识到声音的缓慢传播速度将让我们设计出具有内部时间延迟的人造原子，或者我们喜欢称之为”巨大“原子，”进行这项研究的研究人员之一古斯塔夫·安德森告诉物理学家。有机 “我们的目标是找出这种制度如何与更为标准的小原子情况不同，即巨大原子的声子的吸收和发射是什么样的。”
为了达到他们想要研究的“巨原子状态”，研究人员利用了声波的一个关键特征 - 特别是它们的慢传播速率。事实上，声波的传播速率约为3000米/秒，比光慢五个数量级。
安德森和他的同事们让人造原子在两个不同的点上与声音相互作用。然而，为了使它们的实验起作用，这两个点之间的距离必须足够大，以确保波在其上传播的时间长于光子吸收和发射的时间尺度。
研究人员采用的方法可以通过将原子附着在天线上来控制原子的辐射。由于声波的速度很低，它们的场要经过巨大的原子需要更长的时间，从而产生所谓的非马尔可夫动力学。
“我们通过叉指式换能器(IDT)使人造原子与声音相互作用，这是一种周期性的手指结构，其周期与表面声波的波长相匹配，”Andersson解释道。“我们通过有效地使用两个电气连接的IDT来创建这种分离。然后我们使用低温微波测量，超导电路的标准技术，研究巨原子的性质。”
Andersson和他的同事们进行的实验产生了一些与声音和物质之间相互作用有关的有趣观察结果。例如，研究人员能够证明巨大原子的非指数衰减和新的散射特性。这些新发现的特征是由单原子水平的时间延迟效应(即非马尔可夫过程)引起的。
“传统的量子光学框架基于点状原子，忽略了光通过单个原子所需的时间，”参与研究的另一位研究员Lingzhen Guo告诉Phys.org。“然而，为了解释在我们的实验中收集的观察结果，我们必须同时考虑原子的尺寸效应和时间延迟。因此，巨原子的研究代表了量子光学的一种新范式。”
Andersson，郭及其他团队最近的工作证明了频谱中巨大原子的非马尔可夫性质，同时也揭示了其随时间的非指数衰减。在未来，他们希望通过利用其优于纯电路的优势，进行可能增加声学系统在量子信息处理中的相关性的额外研究。
“由于的短波长的声音，表面声波谐振器可以被设计为支持更多的谐振模式比它们的电磁同行” Andersson的说。“通过将这些模式与超导电路结合在一起，我们希望以硬件最小的方式创建复杂的量子态。看看这些系统是否可用于模拟固态量子系统或某些方案以实现量子计算将是令人兴奋的。 “。
