原子之間驚人的通信可以改善量子計算

2020-10-28 工程學習


超高真空室，其中紅寶石原子被雷射冷卻和興奮。來源：德尼茲·亞武茲

威斯康星大學麥迪遜分校的一組物理學家已經確定了相對遙遠的原子之間相互交流的條件，這種方式以前只在原子之間更緊密地看到，這種發展可以應用到量子計算。

物理學家的發現發表在10月14日出版的《物理評論A》雜誌上，為產生糾纏原子開闢了新的前景，這個術語被賦予了遠距離共享信息的原子，這對量子通信和量子計算機的發展非常重要。

"構建量子計算機是非常困難的，因此一種方法就是構建更小的模塊，可以相互通信，"美國大學麥迪遜分校物理學教授、該研究的高級作者德尼茲·亞武茲（Deniz Yavuz）說。"我們看到這種效果可以用來增加這些模塊之間的通信。

手頭的場景取決於光和圍繞原子運行的電子之間的相互作用。被光子擊中的電子可以興奮到更高的能量狀態。但是電子厭惡多餘的能量，所以它們通過發射光子來迅速釋放它，這個過程被稱為衰變。光子原子釋放的能量比那些推動電子上升的能量要小——同樣的現象會導致一些化學物質產生螢光，或者一些水母有一個綠色發光的環。

"現在，如果你有一個多原子，這個問題變得非常有趣，"Yavuz說。"其他原子的存在改變每個原子的衰變;他們互相交談。

在實驗中，以德尼茲·亞武茲為首的麥迪遜大學物理學家通過雷射冷卻一組紅寶石原子，使它們僅略高於絕對零。然後，他們用紅寶石的激發波長照射雷射來激發電子的電能。來源：亞武茲實驗室

例如，如果單個原子在一秒鐘後衰變，那麼同一類型的原子組在小於或超過一秒時衰變。時間取決於條件，但所有的原子以相同的速度衰變，或者更快或更慢。到目前為止，只有當原子在彼此發射的光的大約一個波長內時，才觀察到這種相關性。對於亞武茲和他的同事使用的紅寶石原子，它意味著在780納米範圍內——就在紅色光和紅外光波長的邊緣。

科學家們想看看原子之間的距離會有多遠，對紅寶石原子的衰變產生什麼影響。如果主流觀點是正確的，那麼兩個比780納米相距更遠的紅寶石原子就像單個原子一樣，每個原子都給出典型的單原子衰變特徵。

黑暗中的室在中心顯示微弱發光的紅寶石原子。來源：德尼茲·亞武茲

在實驗中，他們首先通過雷射冷卻一組紅寶石原子，使它們稍微略高於絕對零度，即原子運動停止的溫度。然後，他們用紅寶石的激發波長照射雷射來激發電子的電能，電子在780nm的特徵下發射光子時衰變。然後，它們可以測量隨著時間的推移發射光子的強度，並將其與單個紅寶石原子的衰變輪廓進行比較。

Yavuz說："在我們的案例中，我們表明原子的波長可以遠至波長的五倍，而且這些組效應仍然明顯——衰變比原子本身存在時要快，或者更慢。"我們展示的第二件事是，如果你看看衰變的時間動態，它可以開始快，然後變慢。它切換，開關從來沒有見過。

通過這些關於建立原子之間相關性的新見解，Yavuz和他的研究小組正在研究他們發現量子計算的應用。他們正在研究哪些實驗條件導致不同類型的相關狀態，從而導致量子信息的糾纏和有效傳輸。

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