原子世界的基本理論，物理學家創造出：創紀錄的量子運動！

2020-10-18 博科園

原子世界的基本理論，物理學家創造出：創紀錄的量子運動！國家標準與技術研究院(NIST)的科學家們開發了一種方法，可以使離子(帶電原子)精確地顯示量子級運動的數量——任何特定的100包能量或「量子」，是之前17包能量的5倍多。量子力學，原子世界的基本理論，指出能量被釋放或吸收在被稱為量子的小塊或包中。原子通過放射光子或光的量子來釋放光能，當陷入陷阱時，原子的運動能量由聲子或運動量子攜帶。

除了創造單個量子數，NIST團隊還控制了離子的擺振運動，以同時顯示出兩個不同數量的運動量子：0(最小運動)加上任何數字(最多18)。這種兩種狀態的「疊加」是量子世界的一個標誌。其研究發現發表在《自然》上，可以用於任何量子力學振蕩器，包括像單擺一樣振動或像彈簧一樣振動的系統。這些技術可能導致使用聲子作為信息載體的新型量子模擬器和傳感器的出現。此外，調整疊加態的能力可以改善量子測量和量子信息處理。

採用離子疊加作為頻率測量儀器，比傳統的離子振動頻率測量精度提高了一倍以上。科學家表示：如果能對一個物體進行量子控制，就能『彎曲』經典規則，以犧牲其他方向更大的不確定性為代價，降低某些特定方向的不確定性。然後可以用量子態作為標尺來測量一個系統的性質。量子控制能力越強，尺子上的線間距就越小，這就能夠越來越精確地測量數量。實驗是在一個冷凍電磁阱的金電極上方40微米處用一個鈹離子進行。新結果是可能的，因為NIST科學家能夠將不需要的因素最小化。

比如雜散電場，雜散電場與離子交換能量並破壞離子。為了給離子添加聲子，NIST科學家在兩個離子的「自旋」狀態或內能構型的頻率差上下交替使用紫外雷射脈衝。每一次脈衝都會將離子從「自旋向上」翻轉到「自旋向下」，反之亦然，每次翻轉都會增加一個離子搖擺運動的量子。為了創造疊加，科學家僅將這些雷射脈衝應用於離子波函數的一半(粒子位置和自旋狀態概率的波狀模式)。波函數的另一半處於第三種自旋狀態，不受雷射脈衝影響，保持靜止。離子靜止狀態(或基態)的疊加和更高聲子數使NIST科學家「量子增強」了測量靈敏度或精度。

用離子作為幹涉儀，這是一種將兩種部分波分離和融合的儀器，能產生一種幹涉圖樣，可以通過分析來表徵頻率。NIST科學家使用幹涉儀測量離子的振蕩頻率，其不確定度小於正常情況下的可能值。具體地說，測量精度隨運動量子數的增加而線性增加，直到在0和12疊加狀態下達到最佳性能，這種疊加狀態靈敏度是經典行為量子狀態(技術上由一組數態組成)的兩倍以上。這種0和12的疊加狀態也比最簡單幹涉儀0和1的疊加狀態精確7倍以上。為了理解為什麼疊加態有助於更精確地測量離子的振蕩頻率，科學家建議想像一個帶輻條的輪子。

在描述離子位置和動量的某個抽象空間中，振蕩用旋轉來表示，科學家希望能夠非常精確地測量這種旋轉。離子基態的運動疊加和更高數態是測量的重要標尺，因為在這個抽象的表示中，可以被想像成一個帶輻條的輪子。這些輻條可以用來確定狀態旋轉的幅度。數字狀態越高，輻條就越多，就能更精確地測量這種旋轉。疊加態所提供的測量靈敏度應該有助於表徵和降低運動中的噪聲，這是研究人員在用捕獲離子處理量子信息時，想要最小化的一個重要誤差來源。

博科園｜研究/來自：美國國家標準與技術研究院

參考期刊《自然》《arXiv》

Cite: arXiv:1807.11934

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