原子的新旋转使科学家可以更仔细地了解量子怪异

当原子变得非常接近时，它们会发展出有趣的相互作用，可以利用这些相互作用来创建新一代的计算和其他技术。由于光学显微镜的基本局限性，已证明很难在实验上研究量子物理学领域的这些相互作用。

现在，由电气工程学助理教授杰夫·汤普森(Jeff Thompson)领导的普林斯顿研究人员团队已经开发出一种控制和测量原子的新方法，它们之间的距离非常近，光学透镜无法区分它们。

在10月30日发表在《科学》杂志上的一篇文章中对他们的方法进行了描述，他们的方法是在纳米级光学电路中使用微调激光器来激发晶体中间隔很近的原子。研究人员利用了每个原子对激光的频率或颜色稍有不同的反应这一事实，使研究人员无需依赖其空间信息即可解析和控制多个原子。

在传统的显微镜中，当两个原子之间的间隔小于一个称为衍射极限的关键距离(该距离大致等于光的波长)以下时，它们之间的空间就会有效消失。这类似于两个遥远的恒星在夜空中出现为单个光点。但是，这也是原子开始相互作用并产生丰富有趣的量子力学行为的尺度。

“我们一直想知道，在最基本的层面上-在固体内部，在晶体内部-原子实际上是做什么的?它们如何相互作用?” 加州理工学院的物理学家安德烈·法劳恩(Andrei Faraon)说，他没有参与这项研究。“ [这篇论文]打开了一个窗口，可以研究非常非常接近的原子。”

在很小的距离上研究原子及其相互作用，使科学家能够探索和控制称为自旋的量子性质。作为一种动量形式，旋转通常被描述为向上或向下(或同时向上或向下)，但这是另一回事。当两个原子之间的距离逐渐缩小时(仅十亿分之一米)，一个原子的自旋会影响另一个原子的自旋，反之亦然。当自旋在这个领域相互作用时，它们可能会纠缠在一起，这是科学家用来形容两个或多个不可分割地联系在一起的粒子的术语。纠缠的粒子的行为就像它们共享一个存在，无论它们后来相距多远。纠缠是将量子力学分开的基本现象来自古典世界，它是量子技术愿景的中心。新的普林斯顿装置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。

新型普林斯顿装置的一个重要特征是其一次可处理数百个原子的潜力，提供了一个收集经验数据的丰富的量子实验室。对于希望释放现实的最深奥秘的物理学家来说，这是一个福音。

这样的询问不仅仅是深奥的。在过去的三十年中，工程师们一直试图利用量子现象来创建用于信息处理和通信的复杂技术，从能够解决原本不可能解决的问题的新兴量子计算机的逻辑构建模块，到可以将机器链接到计算机的超安全通信方法。不可入侵的量子互联网。为了进一步开发这些系统，科学家将需要可靠地纠缠粒子，并利用它们的纠缠来编码和处理信息。

汤普森的团队看到了的机会。研究人员称，传统上将in用于激光和磁体中，由于其难以观察，因此并未广泛用于量子系统中。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并极其有效地检测该信号的方法。现在他们已经证明他们可以全部做到。

当激光照亮原子时，它激发它们的强度足以使它们以独特的频率发出微弱的光，但足以保留并读出原子的自旋。这些频率根据原子的不同状态而微妙地变化，因此“上”具有一个频率，“下”具有另一个频率，每个单独的原子都有自己的一对频率。

“如果您有这些量子位的集合，它们都以略有不同的频率发射光。因此，即使我们没有能力将激光器仔细调整为一个或另一个的频率，我们也可以解决这些问题。在空间上解决它们，”汤普森说。“每个原子都能看到所有的光，但是它们只收听被调谐到的频率。”

这样，光的频率就可以很好地代表旋转。上下切换自旋可以为研究人员提供一种进行计算的方法。它类似于经典计算机中打开或关闭的晶体管，从而产生了数字世界中的零和零。

为了形成有用的量子处理器的基础，这些量子位将需要进一步发展。

汤普森实验室的博士后研究员，论文的两位主要作者之一陈松涛说：“相互作用的强度与两次旋转之间的距离有关。” “我们希望使它们靠近，以便我们可以进行这种相互的相互作用，并使用这种相互作用来创建量子逻辑门。”

量子逻辑门需要两个或多个纠缠的量子比特，使其能够执行唯一的量子操作，例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(Thompson)在美国能源部新的1.15亿美元量子科学计划中担任领导职务，他的使命是使这些量子比特紧随其后。在量子优势协同设计中心的材料推动下，他领导了用于计算和联网的子量子比特。

他的系统是一种新型的qubit，在网络应用中特别有用，它可以使用现有的电信基础设施进行操作，通过硅设备和光纤以编码光的形式发送信号。这两种特性使在当今最先进的固态量子比特上具有工业优势，后者通过可见光波长传输信息，而这些波长在光纤通信网络中无法很好地工作。

尽管如此，要大规模运行，the系统将需要进一步设计。

尽管团队可以控制和测量其量子位的自旋状态，无论它们有多近，并使用光学结构进行高保真度测量，但他们仍无法根据需要排列量子位以形成两个量子位的门。为此，工程师将需要找到其他材料来容纳host原子。本研究的设计考虑了未来的改进。

电气工程专业六年级研究生，论文的两位负责人之一穆克蒂克·拉哈(Mouktik Raha)说：“我们进行此实验的主要优势之一是，它与host的宿主无关。”作者。“只要您能将放进去并且它不会晃动，您就可以走了。”