中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員詹明生領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)異核原子的量子糾纏，相關(guān)研究工作發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》上。最近，這一消息刊出，引起了量子科學(xué)家和業(yè)界的關(guān)注。

如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異核原子的量子糾纏？對于量子計(jì)算、量子科學(xué)的發(fā)展將起到怎樣的推動(dòng)作用？科技日報(bào)記者帶著這些問題采訪了詹明生研究團(tuán)隊(duì)。
 

很有希望的“冷原子”

人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，從地球到太空，從宏觀到微觀。量子力學(xué)就是描述微觀物質(zhì)的理論。中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所副研究員何曉東介紹說：從簡單的激光筆到手機(jī)到電腦，這些受量子力學(xué)支配的微觀粒子，比如光子或者電子，可以在宏觀上產(chǎn)生有用的效果，如激光、半導(dǎo)體等。

然而量子力學(xué)的威力不僅限于此，當(dāng)它與計(jì)算這種操作相結(jié)合之后，將產(chǎn)生一種新的計(jì)算方式——量子計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的單元是比特，量子計(jì)算的基礎(chǔ)是量子比特。有科學(xué)家把量子比特比作“海邊一幅精美的沙畫，一個(gè)浪打過就沒了”?？茖W(xué)家們競相尋找方法，試圖將量子體系盡量和環(huán)境隔絕以延長被浪打沒的時(shí)間，但要操縱它又必須要與它發(fā)生作用。如何做到完美地操縱和隔離是對實(shí)驗(yàn)者技術(shù)的考驗(yàn)。

單離子、核磁共振、光子、冷原子、固體量子點(diǎn)，以及最近很受工業(yè)界重視的超導(dǎo)電路，這些都是世界各地的科學(xué)家們正在努力實(shí)現(xiàn)量子比特的方向。

中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所副研究員許鵬說：“我們選擇的是極具挑戰(zhàn)也是很有希望的‘冷原子’。”通常一個(gè)原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間，對于這樣一種比頭發(fā)絲直徑還小幾千幾萬倍的物體，甚至連世界上最精密的光學(xué)顯微鏡都無法直接觀測，如何抓住它，又任意地操縱它呢？
 

十年只為“抓住”單原子

“十年來，我們一直在做這一件事情——單原子的量子操控。”許鵬說。

捕獲單原子的兩種方式，一是采用掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡等在固體表面捕獲并操縱單個(gè)原子，這樣的單原子還會與表面物質(zhì)有強(qiáng)的相互作用。另一種方法則是采用激光冷卻并捕獲氣相中的單個(gè)原子。團(tuán)隊(duì)采用的是后面一種方法。

激光將原子減速冷卻下來，但要想抓住單個(gè)原子，需要好幾種技術(shù)的配合。首先是將原子囚禁在由特定梯度磁場與偏振激光相結(jié)合的磁光阱中。但這種磁光阱中囚禁下來的原子數(shù)目比較多，可以達(dá)到1010（和全世界人口差不多），溫度在100微開左右（就比絕對零度高萬分之一度）。

對于單原子研究來說，這么多原子實(shí)在是太多了，怎樣才能做到“弱水三千，只取一瓢”呢？有一種很簡單的方法：做一個(gè)超級小的阱，小到僅能容納一個(gè)原子。法國科學(xué)家在2001年將一束遠(yuǎn)紅失諧的激光聚焦到焦點(diǎn)半徑小于1微米時(shí)，在焦點(diǎn)處就形成了一個(gè)這樣的光偶極阱。

把這樣一個(gè)阱放到磁光阱中后，科學(xué)家就像挖了陷阱的獵人一樣等待：當(dāng)有一個(gè)原子掉到光阱中時(shí)，磁光阱立刻關(guān)閉，停止向光阱中繼續(xù)裝原子，這樣就完成了單原子的捕獲。而對于不同種類單原子的捕獲，詹明生研究團(tuán)隊(duì)則創(chuàng)造性地發(fā)展了一種反饋控制方法，在兩個(gè)獨(dú)立的光阱中確定性地囚禁了一個(gè)銣-87原子和一個(gè)異核的銣-85原子，然后用不同的激光分別對兩個(gè)原子進(jìn)行內(nèi)態(tài)的操控，實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)原子的尋址及完備操控。
 

如同200年前的“蒸汽火車”

量子糾纏是指兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個(gè)粒子必然會影響其它粒子，也被稱為“量子力學(xué)非定域性”。

理論推測，不同種類粒子之間的量子糾纏應(yīng)該廣泛存在于各種量子復(fù)合體系之中，然而在實(shí)驗(yàn)上操控兩個(gè)粒子并實(shí)現(xiàn)不同種類粒子的量子糾纏并不容易，之前只在兩個(gè)離子之間做到過。

詹明生解釋說，與離子不同，中性冷原子體系在模擬和理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)的多體相互作用、分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)及多自旋相互作用、量子信息比特?cái)U(kuò)展等重要問題中有獨(dú)特優(yōu)勢。但因?yàn)樵又g的相互作用弱，操控不同種類原子間的確定性糾纏存在極大挑戰(zhàn)。

詹明生表示，此次研究在國際上首次實(shí)現(xiàn)了異核原子間的量子受控非門和量子糾纏。該工作不僅展示了異核體系在尋址和抑制原子間操作串?dāng)_方面的優(yōu)勢，而且開啟了多組份相互作用體系量子操控的大門。

量子科學(xué)家們相信“冷原子”就像一把打開量子世界寶庫的鑰匙，并且在寶庫的深處，會隱藏著更多的鑰匙和無窮無盡的寶庫。詹明生告訴科技日報(bào)記者：他們的研究工作只是在這一領(lǐng)域邁出的一小步，就如同200年前的“蒸汽火車”，離“高鐵”的誕生還有很遠(yuǎn)的距離。相信隨著研究的深入，中國的量子科學(xué)家為人類量子科學(xué)的發(fā)展會作出更大的貢獻(xiàn)。（記者 劉志偉）