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>>原子上的新旋转使科学家更仔细地了解量子怪异

艺术家对普林斯顿大学开发的测量和控制量子旋转的方法的渲染。瑞秋·戴维维茨(Rachel Davidowitz)信用
艺术家对普林斯顿大学开发的测量和控制量子旋转的方法的渲染。瑞秋·戴维维茨(Rachel Davidowitz)信用

抽象的:
当原子变得非常接近时,它们会开发出有趣的互动,这些交互作用可以利用,以创建新一代的计算和其他技术。事实证明,由于光学显微镜的基本局限性,量子物理领域中的这些相互作用很难在实验上研究。

原子上的新旋转使科学家仔细研究了量子怪异

新泽西州普林斯顿|发表于2020年10月30日

现在,由电气工程助理教授杰夫·汤普森(Jeff Thompson)领导的普林斯顿研究人员团队已经开发了一种新的方法来控制和测量与没有光学镜头的原子。

在10月30日在《科学》杂志上发表的一篇文章中描述了其方法在晶体中使用纳米尺度的光学电路中的精细调谐激光器在晶体中激发了紧密间隔的Erbium原子。研究人员利用了每个原子响应激光光的频率或颜色略有不同的事实,从而使研究人员能够解决和控制多个原子,而无需依赖其空间信息。

在常规显微镜中,当两个原子的分离低于称为衍射极限的关键距离以下时,两个原子之间的空间有效地消失,该距离大致等于光的波长。vwin徳赢官网这类似于两个遥远的恒星,它们是夜空中的单点。但是,这也是原子开始相互作用并引起丰富而有趣的量子机械行为的尺度。

“我们总是想知道,在最基本的层面 - 内部固体,内部晶体内部 - 原子实际上是什么?它们如何互动?”没有参与研究的加利福尼亚理工学院教授的物理学家安德烈·法拉恩(Andrei Faraon)说。“这篇[论文]打开了研究原子非常非常接近的原子的窗口。”

研究原子及其在微小距离的相互作用使科学家可以探索和控制称为自旋的量子特性。作为动力的一种形式,旋转通常被描述为上下(或两者兼而有之,但这是另一个故事)。当两个原子之间的距离变得消失了很小 - 仅十亿分之一 - 一个人的旋转对另一个旋转的影响,反之亦然。随着旋转在这个领域的相互作用,它们可能会被纠缠,这是一个术语科学家用来描述两个或多个密不可分的粒子。纠缠的颗粒的行为就像它们共享一个存在一样,无论他们以后变得多远。纠缠是将量子力学与古典世界分开的基本现象,它是量子技术愿景的中心。新的普林斯顿设备是科学家以前所未有的清晰度研究这些自旋相互作用的垫脚石。

新普林斯顿设备的一个重要特征是它一次解决数百个原子的潜力,提供丰富的量子实验室来收集经验数据。对于希望解锁现实最深奥的奥秘,包括纠缠的怪异本质的物理学家来说,这是一个福音。

这种询问不仅是深奥的。在过去的三十年中,工程师试图使用量子现象来创建复杂的技术处理和通信技术,从新兴量子计算机的逻辑构建块,能够解决原本不可能的问题,再到可以将机器联系到一个可以将计算机联系到一个的超声通信方法不可用的量子互联网。为了进一步开发这些系统,科学家将需要可靠地纠缠粒子并利用其纠缠来编码和处理信息。

汤普森的团队在Erbium看到了机会。研究人员说,传统上,Erbium在激光和磁铁中使用,在量子系统中并未广泛探索,因为很难观察到。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,并非常有效地检测该信号。现在他们已经证明他们可以大批做到这一切。

当激光照亮原子时,它会激发它们足以使它们以独特的频率发出微弱的光,但要精细地保存和读取原子的旋转。这些频率根据原子的不同状态而巧妙地变化,因此“向上”具有一个频率,并且“下降”具有另一个频率,并且每个原子都有其自己的频率。

“如果您有这些量子位的合奏,它们都以略有不同的频率发出光。因此,通过仔细调整激光器以使其频率或另一个频率的频率,我们可以解决它们,即使我们没有能力为了解决它们,”汤普森说。“每个原子都会看到所有的光,但它们只会听取他们调整的频率。”

然后,光的频率是旋转的理想代理。上下切换旋转为研究人员提供了计算的方法。它类似于在古典计算机中打开或关闭的晶体管,从而产生了我们数字世界的零。

为了构成有用的量子处理器的基础,这些量楼将需要进一步走。

汤普森实验室的博士后研究员,本文的两位主要作者之一Songtao Chen说:“互动的强度与两次旋转之间的距离有关。”“我们希望使它们关闭,以便我们可以进行这种相互的交互,并使用这种交互来创建量子逻辑门。”

量子逻辑门需要两个或更多的纠缠量子,使其能够执行独特的量子操作,例如计算蛋白质的折叠模式或量子互联网上的路由信息​​。

汤普森(Thompson)在美国能源部新的1.15亿美元Quantum Science倡议中担任领导职务,他的任务是将这些量子比脚跟带到脚跟。在量子优势的共同设计中心的材料推力中,他领导了用于计算和网络的子数字。

他的ERBIUM系统是一种在网络应用程序中特别有用的新型量子系统,可以使用现有的电信基础架构运行,以硅设备和光纤的编码光的形式发送信号。这两种属性使Erbium比当今最先进的固态Qub具有工业优势,该量子通过可见的光波长传输信息,这些波长与光纤通信网络无法正常工作。vwin徳赢官网

尽管如此,要按大规模操作,则需要进一步设计ERBIUM系统。

尽管团队都可以控制和测量其Qubit的旋转状态,无论他们有多接近,并使用光学结构来产生高保真度的测量,但他们还不能根据需要排列量子来形成两倍的门。为此,工程师将需要找到其他材料来托管Erbium原子。这项研究的设计为未来的改进。

“我们做这项实验的方式的主要优点之一是,它与主持人所坐着的东西无关,”电气工程领域的六年级研究生Mouktik Raha说,本文的两位主角之一作者。“只要您可以将Erbium放在其中,并且不会抖动,您就可以了。”

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电气工程研究生的Christopher M. Phenicie和Salim Ourari也为论文做出了贡献。这项工作是与普林斯顿量子倡议一起进行的,部分由国家科学基金会,普林斯顿复杂材料中心,空军科学研究办公室的年轻研究员计划和国防高级研究项目局资助。。

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联系人:
史蒂文·舒尔茨(Steven Schultz)

609-751-4480

@eprinceton

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