近日MIT哈佛的量子研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù),用激光束將原子從原子云中一個(gè)一個(gè)孤立出來,而且不帶電荷。目前他們已將創(chuàng)造出了由 50 個(gè)原子構(gòu)成的原子陣列,其中的每個(gè)原子都能單獨(dú)控制??茖W(xué)家們會用照相機(jī)拍下這些被囚禁的原子及其位置的圖像,然后基于這些圖像,操作激光束的角度,來移動單個(gè)原子形成任意數(shù)量的不同組態(tài)(configurations)。
原子、光子和其他量子粒子天生頑固;很少處于停頓狀態(tài),同一種量子粒子間常常產(chǎn)生碰撞。如果能把大量量子一個(gè)個(gè)單獨(dú)用量子圍欄攔起來控制住,就可以將它們作為量子比特——一種極小的信息單元,其狀態(tài)和方向可用來進(jìn)行計(jì)算,速度要比當(dāng)下基于半導(dǎo)體的計(jì)算機(jī)芯片快上很多。
最近幾年,科學(xué)家想了很多方法來把每個(gè)量子單獨(dú)囚禁起來控制住。但是這類技術(shù)很難能擴(kuò)展,因?yàn)槿鄙俨倏卮罅吭拥目煽糠椒?,這是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重大障礙。
現(xiàn)在,來自哈佛和 MIT 的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種有望解決這一問題的方法。相關(guān)論文發(fā)表在近日的 Science 雜志上,論文中提到他們發(fā)現(xiàn)一種新的方法,使用激光器或「光鉗」(optical「tweezers」)來將原子一個(gè)一個(gè)從原子云中挑出來囚禁在某個(gè)地方。當(dāng)原子被「囚禁」時(shí),科學(xué)家們會用照相機(jī)拍下這些原子及其位置的圖像。然后基于這些原子的圖像,操作激光光束的角度,來移動單個(gè)原子形成任意數(shù)量的不同組態(tài)(configurations)。
該研究團(tuán)隊(duì)目前已將創(chuàng)造出了由 50 個(gè)原子構(gòu)成的原子陣列,并操控它們進(jìn)入各種無缺陷的形狀(pattern),其中的每個(gè)原子都能單獨(dú)控制。論文作者之一,MIT 物理系的 Lester Wolfe 教授 Vladan Vuletic,將這一過程比喻為「從底部向上建立一個(gè)原子的小晶體。」
我們已經(jīng)展示了一個(gè)可重復(fù)組態(tài)的(reconfigurable)單個(gè)原子的陷阱陣列,在這里面我們能確切地在分開的陷阱中將 50 個(gè)原子單獨(dú)囚禁,用于未來的量子信息處理、量子模擬或者精確度測量,」Vuletic 說,他也是 MIT 電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員?!妇秃孟癜言赢?dāng)樂高積木來玩,你可以決定每塊積木的位置?!?/div>
保持中性
該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的操縱中性原子的技術(shù)是不帶電荷的。其他大多數(shù)量子實(shí)驗(yàn)中的原子總會帶上電荷,或者離子,因?yàn)閹想姾傻脑颖容^容易被囚禁??茖W(xué)家還發(fā)現(xiàn)特定條件下的離子可被作為量子門——兩個(gè)量子比特之間的邏輯運(yùn)算,類似于經(jīng)典的電路中的邏輯門。然而由于天生帶電荷,離子間相互排斥,很難組成密集的陣列。
與離子不同,中性原子之間在緊密性上沒有問題。使用中性原子作為量子比特的主要障礙是,它們受到的外力非常微弱,很難被控制在一個(gè)地方。
設(shè)陷阱
為了囚禁單個(gè)的中性原子,研究者們首次使用了一個(gè)激光器來將一團(tuán)銣原子云冷卻成超冷原子,其溫度接近絕對 0 度,讓原子從正常的高速軌道上慢下來。之后他們讓第二個(gè)激光光束通過儀器分成很多小的光束,其數(shù)量和角度可以通過導(dǎo)流板(deflector)上的無線電頻率來控制。
研究者將這些小光束聚焦通過超冷原子云,并發(fā)現(xiàn)每一個(gè)光束的聚焦點(diǎn)——光束強(qiáng)度最高的點(diǎn),都吸引了一個(gè)單個(gè)原子,將它們從云中完全孤立出來控制在某個(gè)地方。
「這就好像在某種毛織物上摩擦梳子帶電,然后 用它來撿起一小片紙,」Vuletic 說?!高@個(gè)過程類似于被吸引到光場(light field)中高強(qiáng)度區(qū)域的原子。」科學(xué)家使用電荷耦合器件相機(jī)捕獲的原子雖然被囚禁住了,但它們還能發(fā)光。通過查看它們的圖像,研究者可以辨別出哪些激光束或者「光鉗」控制住了原子,哪些沒有。然后,他們可以改變每個(gè)激光束的無線電頻率來「關(guān)掉」無原子的光束,重新排列那些帶有原子的光束,該研究小組最終創(chuàng)建了 50 個(gè)原子的陣列,這些原子被囚禁在某個(gè)地方的時(shí)間長達(dá)幾秒。
「現(xiàn)在的問題依然是這次你能執(zhí)行多少次量子運(yùn)算?」Vuletic 說?!竿ǔV行栽拥臅r(shí)間刻度(timescale)大約是 10 微妙,所以你可以在一秒內(nèi)做 10 萬次運(yùn)算,我認(rèn)為這是一個(gè)很好的結(jié)果了?!?br />
現(xiàn)在,該研究團(tuán)隊(duì)仍在他們是否能夠促使中性原子作為量子門——兩個(gè)量子比特之間的最基本的信息處理。雖然有其他研究者在量子中性原子之間展示了這一過程,但他們還無法在大量原子的系統(tǒng)中保留量子門。如果 Vuletic 和他的同事能成功地在他們的 50 個(gè)原子的系統(tǒng)中誘導(dǎo)出量子門,他們就會在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的道路上邁出意義重大的一步。
「對于除量子計(jì)算外的其他實(shí)驗(yàn),比如用具有預(yù)定數(shù)量的原子模擬凝聚態(tài)物理。用我們的技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn),」Vuletic 說這讓他非常興奮。
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