原子的新旋轉使科學家可以更仔細地了解量子怪異

當原子變得非常接近時，它們會發展出有趣的相互作用，可以利用這些相互作用來創建新一代的計算和其他技術。由于光學顯微鏡的基本局限性，已證明很難在實驗上研究量子物理學領域的這些相互作用。

現在，由電氣工程學助理教授杰夫·湯普森(Jeff Thompson)領導的普林斯頓研究人員團隊已經開發出一種控制和測量原子的新方法，它們之間的距離非常近，光學透鏡無法區分它們。

在10月30日發表在《科學》雜志上的一篇文章中對他們的方法進行了描述，他們的方法是在納米級光學電路中使用微調激光器來激發晶體中間隔很近的原子。研究人員利用了每個原子對激光的頻率或顏色稍有不同的反應這一事實，使研究人員無需依賴其空間信息即可解析和控制多個原子。

在傳統的顯微鏡中，當兩個原子之間的間隔小于一個稱為衍射極限的關鍵距離(該距離大致等于光的波長)以下時，它們之間的空間就會有效消失。這類似于兩個遙遠的恒星在夜空中出現為單個光點。但是，這也是原子開始相互作用并產生豐富有趣的量子力學行為的尺度。

“我們一直想知道，在最基本的層面上-在固體內部，在晶體內部-原子實際上是做什么的?它們如何相互作用?” 加州理工學院的物理學家安德烈·法勞恩(Andrei Faraon)說，他沒有參與這項研究。“ [這篇論文]打開了一個窗口，可以研究非常非常接近的原子。”

在很小的距離上研究原子及其相互作用，使科學家能夠探索和控制稱為自旋的量子性質。作為一種動量形式，旋轉通常被描述為向上或向下(或同時向上或向下)，但這是另一回事。當兩個原子之間的距離逐漸縮小時(僅十億分之一米)，一個原子的自旋會影響另一個原子的自旋，反之亦然。當自旋在這個領域相互作用時，它們可能會糾纏在一起，這是科學家用來形容兩個或多個不可分割地聯系在一起的粒子的術語。糾纏的粒子的行為就像它們共享一個存在，無論它們后來相距多遠。糾纏是將量子力學分開的基本現象來自古典世界，它是量子技術愿景的中心。新的普林斯頓裝置是科學家以前所未有的清晰度研究這些自旋相互作用的墊腳石。

新型普林斯頓裝置的一個重要特征是其一次可處理數百個原子的潛力，提供了一個收集經驗數據的豐富的量子實驗室。對于希望釋放現實的最深奧秘的物理學家來說，這是一個福音。

這樣的詢問不僅僅是深奧的。在過去的三十年中，工程師們一直試圖利用量子現象來創建用于信息處理和通信的復雜技術，從能夠解決原本不可能解決的問題的新興量子計算機的邏輯構建模塊，到可以將機器鏈接到計算機的超安全通信方法。不可入侵的量子互聯網。為了進一步開發這些系統，科學家將需要可靠地糾纏粒子，并利用它們的糾纏來編碼和處理信息。

湯普森的團隊看到了的機會。研究人員稱，傳統上將in用于激光和磁體中，由于其難以觀察，因此并未廣泛用于量子系統中。該團隊在2018年取得了突破，開發了一種增強這些原子發出的光并極其有效地檢測該信號的方法。現在他們已經證明他們可以全部做到。

當激光照亮原子時，它激發它們的強度足以使它們以獨特的頻率發出微弱的光，但足以保留并讀出原子的自旋。這些頻率根據原子的不同狀態而微妙地變化，因此“上”具有一個頻率，“下”具有另一個頻率，每個單獨的原子都有自己的一對頻率。

“如果您有這些量子位的集合，它們都以略有不同的頻率發射光。因此，即使我們沒有能力將激光器仔細調整為一個或另一個的頻率，我們也可以解決這些問題。在空間上解決它們，”湯普森說。“每個原子都能看到所有的光，但是它們只收聽被調諧到的頻率。”

這樣，光的頻率就可以很好地代表旋轉。上下切換自旋可以為研究人員提供一種進行計算的方法。它類似于經典計算機中打開或關閉的晶體管，從而產生了數字世界中的零和零。

為了形成有用的量子處理器的基礎，這些量子位將需要進一步發展。

湯普森實驗室的博士后研究員，論文的兩位主要作者之一陳松濤說：“相互作用的強度與兩次旋轉之間的距離有關。” “我們希望使它們靠近，以便我們可以進行這種相互的相互作用，并使用這種相互作用來創建量子邏輯門。”

量子邏輯門需要兩個或多個糾纏的量子比特，使其能夠執行唯一的量子操作，例如計算蛋白質的折疊模式或在量子互聯網上路由信息。

湯普森(Thompson)在美國能源部新的1.15億美元量子科學計劃中擔任領導職務，他的使命是使這些量子比特緊隨其后。在量子優勢協同設計中心的材料推動下，他領導了用于計算和聯網的子量子比特。

他的系統是一種新型的qubit，在網絡應用中特別有用，它可以使用現有的電信基礎設施進行操作，通過硅設備和光纖以編碼光的形式發送信號。這兩種特性使在當今最先進的固態量子比特上具有工業優勢，后者通過可見光波長傳輸信息，而這些波長在光纖通信網絡中無法很好地工作。

盡管如此，要大規模運行，the系統將需要進一步設計。

盡管團隊可以控制和測量其量子位的自旋狀態，無論它們有多近，并使用光學結構進行高保真度測量，但他們仍無法根據需要排列量子位以形成兩個量子位的門。為此，工程師將需要找到其他材料來容納host原子。本研究的設計考慮了未來的改進。

電氣工程專業六年級研究生，論文的兩位負責人之一穆克蒂克·拉哈(Mouktik Raha)說：“我們進行此實驗的主要優勢之一是，它與host的宿主無關。”作者。“只要您能將放進去并且它不會晃動，您就可以走了。”