原子上的一個新的旋轉讓科學家更近距離地研究量子的怪異性

2020-11-04 工程學習

藝術家在普林斯頓大學開發的測量和控制量子旋轉的方法的渲染。來源：雷切爾·達維多維茨

當原子非常接近時，它們會開發有趣的相互作用，這些相互作用可以利用這些相互作用來創造新一代的計算技術和其他技術。由於光學顯微鏡的基本局限性，量子物理學領域的這些相互作用已被證明是難以進行實驗研究的。

現在，由電氣工程助理教授傑夫·湯普森領導的普林斯頓研究小組已經開發出一種控制和測量原子的新方法，這種原子非常接近，光學透鏡無法區分它們。

在10月30日發表在《科學》雜誌上的一篇文章中，他們的方法利用納米尺度光電路中微調的雷射激發晶體中緊密空間的鈾原子。研究人員利用每個原子對雷射頻率或顏色稍有不同的反應這一事實，使研究人員能夠解析和控制多個原子，而無需依賴它們的空間信息。

在傳統的顯微鏡中，當兩個原子的分離低於稱為衍射極限（大致等於光的波長）的關鍵距離時，它們之間的空間會有效消失。這類似於兩顆遙遠的恆星，它們出現在夜空中作為單一光點。然而，這也是原子開始相互作用，產生豐富而有趣的量子力學行為的規模。

"我們總是想知道，在最基本的層面上——固體內部，晶體內部——原子到底能做什麼？他們是如何互動的？" 物理學家安德烈·法倫說，他是加州理工學院的教授，沒有參與這項研究。"這篇[紙]打開窗口，研究非常非常接近的原子。

研究原子及其在小距離的相互作用使科學家能夠探索和控制一種被稱為自旋的量子屬性。作為一種動量形式，旋轉通常被描述為向上或向下（或兩者兩者，但這是另一個故事）。當兩個原子之間的距離變得非常小（只有十億分之一米）時，一個原子的旋轉會對另一個原子的自旋產生影響，反之亦然。當旋轉在這個領域相互作用時，它們可能會糾纏在一起，科學家用這個詞來描述兩個或兩個多粒子，這些粒子是密不可分的。糾纏的粒子的行為就像它們共享一個存在，無論他們後來變得多麼遠。糾纏是將量子力學與古典世界分離的基本現象，是量子技術視覺的中心。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。

新普林斯頓新裝置的一個重要特點是它有可能一次處理數百個原子，從而提供一個豐富的量子實驗室來收集經驗數據。對於希望解開現實中最深的奧秘，包括糾纏的怪異本質的物理學家來說，這是一個福音。

這種調查不僅僅是深奧的。在過去的三十年裡，工程師們一直試圖利用量子現象來創造複雜的信息處理和通信技術，從能夠解決其他不可能解決的問題的新興量子計算機的邏輯構建基塊，到能夠將機器連接到不可破解的量子網際網路的超安全通信方法。為了進一步開發這些系統，科學家需要可靠地糾纏粒子，並利用它們的糾纏來編碼和處理信息。

湯普森的團隊看到了機會。研究人員稱，傳統上在雷射和磁體中使用過，由於難以觀測，因此在量子系統中並沒有被廣泛探索。該團隊在2018年取得了突破，開發一種增強這些原子發出的光的方法，並極其有效地檢測該信號。現在，他們已經表明，他們可以通過集體做到這一切。

當雷射照亮原子時，它激發它們，使它們以獨特的頻率發出微弱的光，但足夠細膩地保持和讀出原子的自旋。這些頻率會根據原子的不同狀態如此巧妙地變化，因此"向上"有一個頻率，"向下"有另一個頻率，並且每個原子都有它自己的一對頻率。

"如果你有這些量子位，它們都會以非常不同的頻率發出光。因此，通過仔細調整雷射的頻率，一個或另一個的頻率，我們可以解決這些問題，即使我們沒有能力空間解決他們，"湯普森說。"每個原子都看到所有的光，但它們只聽它們被調諧的頻率。

然後，光的頻率是旋轉的完美代表。上下切換旋轉為研究人員提供了一種計算方法。它類似於在經典計算機中打開或關閉的電晶體，產生我們數字世界的零和零。

為了形成一個有用的量子處理器的基礎，這些量子位需要更進一步。

湯普森實驗室的博士後研究員、論文的兩位主要作者之一陳松濤說："這種相互作用的強度與兩個旋轉之間的距離有關。"我們希望將它們關閉，以便我們可以進行這種相互交互，並使用此交互創建量子邏輯門。

量子邏輯門需要兩個或兩個多糾纏的量子位，使其能夠執行獨特的量子操作，如計算蛋白質的摺疊模式或在量子網際網路上路由信息。

湯普森在美國能源部新的1.15億美元量子科學計劃擔任領導職務，他的使命是讓這些量子位達到軌道。在量子優勢聯合設計中心的材料推力中，他領導了計算和聯網的子量子。

他的 erbium 系統是一種在網絡應用中特別有用的新型量子位，可以使用現有的電信基礎設施運行，通過矽器件和光纖以編碼光的形式發送信號。這兩種特性使 erbium 比當今最先進的固態量子位具有工業優勢，這些量子位通過可見光波長傳輸信息，這些波長與光纖通信網絡不通用。

不過，要大規模運行，還需要進一步設計 erbium 系統。

雖然團隊可以控制和測量其量子位的自旋狀態，無論他們有多近，並使用光學結構來產生高保真度測量，但他們還不能根據需要排列量子位以形成雙量子位。為此，工程師需要找到不同的材料來承載原子。這項研究的設計是銘記未來改進的。

"我們做這個實驗的主要優點之一是，它與電子學的主機是什麼有關，"電氣工程六年級研究生、論文的兩位主要作者之一穆克提克·拉哈（Mouktik Raha）說。"只要你能在裡面放 erbium， 它不緊張， 你就可以走了。

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