科學家打造「光之牢籠」 意外發現量子糾結新形態

萊斯大學研究團隊近期開發出一種革命性的3D光子晶體空腔，這種精密結構能夠以前所未有的方式捕捉並控制光線，開啟了光與物質互動作用的全新可能性。這項突破性研究不僅揭示了光子與電子在極端條件下的互動機制，更意外發現了由物質媒介產生的光子-光子耦合現象，為量子電腦、超高速運算與絕對安全通訊技術開闢了新道路。

研究主要作者、現任哥倫比亞大學博士後研究員的戴富陽形容：「想像你站在一個佈滿鏡子的房間裡，當你開啟手電筒，光線會在鏡面間不斷反射。這就是光學空腔的基本原理——透過特殊設計的反射結構，讓光線以特定模式持續共振。」這種被捕捉的光模式具有獨特頻率，能大幅增強光與物質的互動作用。

研究團隊突破性地採用三維結構設計，將自由移動的電子薄層置於穩定磁場中，觀察多個空腔模式如何同時與電子互動。工程學教授小野順一郎解釋：「電子間會產生強烈互動作用，但光子通常不會。這個空腔結構能大幅增強電磁場，導致光與物質產生強耦合，形成所謂的『偏振子』這種量子疊加態。」

偏振子作為光與物質的混合態，為奈米尺度下的光控制提供了新方法，可能催生更快速、更節能的量子技術。更令人振奮的是，當光子與電子的耦合強度達到極致時，會進入「超強耦合」的全新領域，此時能量交換速度快到足以抵抗耗散效應。

研究過程中，團隊使用太赫茲輻射觀察3D光學空腔內的模式耦合現象，克服了超低溫與強磁場等實驗挑戰。他們發現，不同空腔模式會根據入射光的偏振特性產生兩種截然不同的互動作用：要麼保持獨立，要麼混合形成全新的雜化模式。

共同作者安德烈·貝丁表示：「最令人驚喜的是，這個裝置竟能誘發物質媒介的光子-光子耦合，這完全超出了我們最初的預期。」小野教授補充說明，這種新型耦合機制將為量子計算與通訊帶來全新的演演算法協定。

研究團隊中的亞歷山德羅·阿拉巴斯特里教授與博士後研究員史蒂芬·桑德斯合作開發了模擬程式，成功重現實驗中觀察到的電磁場動態。阿拉巴斯特里特別讚賞戴富陽在研究中的全面性：「他雖然是實驗專家，卻展現出對計算模擬的強烈學習熱情。」

這項研究成果不僅為光-物質互動作用工程提供新思路，更將推動超高效量子處理器、高速資料傳輸與次世代感測器的發展。作為萊斯大學斯莫利-柯爾研究所所長，小野教授強調：「量子態極為脆弱，而空腔量子電動力學正為量子技術提供受控環境。我們團隊正積極攻克該領域最關鍵的挑戰。」

這項開創性研究已發表於《自然通訊》期刊，並獲得美國陸軍研究辦公室、摩爾基金會等多個機構的經費支援。