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普林斯顿大学的一种测量和控制量子自旋的方法的艺术家渲染。信贷瑞秋大卫德维茨
普林斯顿大学的一种测量和控制量子自旋的方法的艺术家渲染。信贷瑞秋大卫德维茨

文摘:
当原子非常接近时,它们会发展出有趣的相互作用,这些相互作用可以用来创造新一代的计算和其他技术。由于光学显微镜的基本限制,这些相互作用在量子物理领域被证明是难以实验研究的。

原子的新自旋让科学家们更近距离地观察量子的奇异性

普林斯顿,新泽西州|发布于2020年10月30日

现在,普林斯顿大学的一组研究人员在电子工程助理教授杰夫·汤普森(Jeff Thompson)的带领下,开发了一种控制和测量原子的新方法,这些原子靠得太近,连光学透镜都分辨不出来。

10月30日发表在《科学》(Science)杂志上的一篇文章描述了他们的方法,该方法使用纳米级光学电路中精细调谐的激光激发晶体中间距较近的铒原子。研究人员利用了每个原子对激光的频率或颜色略有不同这一事实,这使得研究人员可以解决和控制多个原子,而不依赖于它们的空间信息。

在传统的显微镜中,当两个原子的分离距离低于被称为衍射极限的关键距离时,原子之间的空间就会消失。衍射极限大致等于光的波长。vwin徳赢官网这类似于夜空中出现的两个遥远的恒星。然而,这也是原子开始相互作用并产生丰富而有趣的量子力学行为的尺度。

“我们总是想知道,在最基本的层面上——在固体内部,在晶体内部——原子到底在做什么?”它们是如何相互作用的?”加州理工学院(California Institute of Technology)教授、物理学家安德烈·法拉翁(Andrei Faraon)说,他没有参与这项研究。“这篇论文打开了研究非常、非常接近原子的窗口。”

通过研究原子及其在微小距离上的相互作用,科学家可以探索和控制一种被称为自旋的量子特性。作为动量的一种形式,自旋通常被描述为向上或向下(或者两者兼有,但那是另一回事)。当两个原子之间的距离变得微乎其微时——只有一米的十亿分之一——一个原子的自旋会影响另一个原子的自旋,反之亦然。当自旋在这个领域中相互作用时,它们可能会纠缠在一起,科学家们用这个术语来描述两个或更多的粒子,它们不可分割地联系在一起。纠缠粒子的行为就好像它们共享一个存在,不管它们后来变得多远。纠缠是将量子力学从经典世界中分离出来的基本现象,它是量子技术视野的中心。普林斯顿大学的新仪器是科学家们以前所未有的清晰度研究这些自旋相互作用的垫脚石。

普林斯顿新装置的一个重要特点是它可以同时处理数百个原子,为收集经验数据提供了一个丰富的量子实验室。这对那些希望解开现实世界最深奥秘的物理学家来说是一个福音,其中包括令人毛骨悚然的纠缠本质。

这样的探究不仅深奥难懂。在过去的30年里,工程师们试图利用量子现象创造复杂的信息处理和通信技术,从能够解决其他不可能的问题的新兴量子计算机的逻辑构件,到能将机器连接到不可破解的量子互联网的超纯通信方法。为了进一步发展这些系统,科学家将需要可靠地缠绕粒子,并利用它们的缠绕来编码和处理信息。

汤普森的团队在铒上看到了机会。研究人员说,传统上用于激光和磁体的铒,在量子系统中的应用没有得到广泛探索,因为它很难观察到。该团队在2018年取得了突破,开发了一种增强这些原子发出的光的方法,并极其有效地探测到信号。现在他们已经证明了他们可以集体完成。

当激光照射到原子时,它所激发的能量刚好足以使它们以独特的频率发出微弱的光,但也足够精细地保存并读出原子的自旋。这些频率会根据原子的不同状态微妙地变化,所以“上”有一个频率,“下”有另一个频率,而且每个原子都有自己的一对频率。

“如果你有这些量子位元的集合,它们都会以非常轻微的不同频率发出光。因此,尽管我们没有能力在空间上解决它们,但通过小心地将激光调谐到其中一个或另一个的频率,我们可以解决它们。”汤普森说道。“每个原子都能看到所有的光,但它们只听自己调谐到的频率。”

光的频率是自旋的完美代表。上下旋转给研究人员提供了一种进行计算的方法。它类似于传统计算机中要么开要么关的晶体管,导致了我们数字世界的0和1。

要形成一个有用的量子处理器的基础,这些量子位需要更进一步。

“相互作用的强度与两个自旋之间的距离有关,”汤普森实验室的博士后研究员陈松涛(音译)说,他是这篇论文的两位主要作者之一。“我们想让它们接近,这样我们就可以有这种相互作用,并利用这种相互作用来创建一个量子逻辑门。”

一个量子逻辑门需要两个或更多纠缠的量子位元,使其能够执行独特的量子操作,如计算蛋白质的折叠模式或在量子互联网上路由信息。

汤普森在美国能源部耗资1.15亿美元的量子科学计划中担任领导职务,他正在执行一项使这些量子位元服从的任务。在量子优势合作设计中心(Co-Design Center for Quantum Advantage)的材料研究领域,他领导着用于计算和网络的亚量子位。

他的铒系统是一种新的量子位元,在网络应用中特别有用,可以使用现有的电信基础设施,在硅器件和光纤上以编码光的形式发送信号。这两个特性使铒比当今最先进的固态量子位元更具工业优势,后者通过可见光波长传输信息,而可见光波长在光纤通信网络中不能很好地工作。vwin徳赢官网

不过,要想大规模运作,铒系统还需要进一步设计。

尽管该团队可以控制和测量量子位元的自旋状态,无论量子位元有多接近,并使用光学结构产生高保真度的测量,但他们还不能按照需要安排量子位元来形成二量子位门。要做到这一点,工程师们需要找到一种不同的材料来容纳铒原子。这项研究的设计考虑到了未来的改进。

“我们做这个实验的方式的一个主要优势是,它与铒的宿主无关,”穆克提克·拉哈(Mouktik Raha)说,他是电气工程专业的六年级研究生,也是这篇论文的两位主要作者之一。“只要你能在里面放上铒,它就不会到处抖动,你就没问题了。”

# # #

Christopher M. Phenicie和Salim Ourari都是电气工程专业的研究生,他们也为这篇论文做出了贡献。这项工作是与普林斯顿量子计划一起进行的,部分资金由国家科学基金会、普林斯顿复杂材料中心、空军科学研究办公室的青年研究者计划和国防高级研究计划局提供。

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更多信息,请点击在这里

联系人:
史蒂文·舒尔茨

609-751-4480

@eprinceton

普林斯顿大学版权所有

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