科學(xué)家們用單粒子精度為原子設(shè)置了陷阱

原子，光子和其他量子粒子本質(zhì)上通常是反復(fù)無常的; 很少處于停滯狀態(tài)，他們經(jīng)常與同類中的其他人發(fā)生碰撞。但是，如果這些粒子可以被大量單獨(dú)控制和控制，它們可以被用作量子比特或量子比特 - 信息的微小單位，其狀態(tài)或方向可以用于以比現(xiàn)在的半導(dǎo)體計算機(jī)快得多的速率進(jìn)行計算芯片。

近年來，科學(xué)家們提出了分離和操縱單個量子粒子的方法。但是這些技術(shù)難以擴(kuò)大，缺乏可靠的操作大量原子的方法仍然是量子計算的重大障礙。

現(xiàn)在，來自哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家已經(jīng)找到了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的方法。在發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上的一篇論文中，研究人員報告了一種新方法，該方法使他們能夠使用激光作為光學(xué)“鑷子”從云中拾取單個原子并將它們固定到位。由于原子被“困住”，科學(xué)家們使用相機(jī)來創(chuàng)建原子及其位置的圖像?；谶@些圖像，他們?nèi)缓蟛倏v激光束的角度，將單個原子移動到任何數(shù)量的不同配置。

到目前為止，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)建了50個原子的陣列，并將它們操縱成各種無缺陷模式，并采用單原子控制。該論文的作者之一，麻省理工學(xué)院Lester Wolfe物理學(xué)教授Vladan Vuletic將這個過程比作“從底部開始構(gòu)建一個小的原子晶體”。

“我們已經(jīng)展示了一個可重構(gòu)的單原子陷阱陣列，我們可以確定地在單獨(dú)的陷阱中準(zhǔn)備多達(dá)50個單獨(dú)的原子，以備將來用于量子信息處理，量子模擬或精確測量，”Vuletic說，他也是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室成員。“就像你積累的原子樂高積木一樣，你可以決定每個街區(qū)的位置。”

該論文的其他資深作者是哈佛大學(xué)的主要作者M(jìn)anuel Endres和Markus Greiner以及Mikhail Lukin。

保持中立

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計了它的技術(shù)來操縱中性原子，這些原子不帶電荷。大多數(shù)其他量子實(shí)驗(yàn)涉及帶電原子或離子，因?yàn)樗鼈兊碾姾墒顾鼈兏菀妆徊东@?？茖W(xué)家們還表明，在某些條件下，離子可以用來執(zhí)行量子門 - 兩個量子位之間的邏輯運(yùn)算，類似于經(jīng)典電路中的邏輯門。然而，由于它們的帶電性質(zhì)，離子彼此排斥并且難以在密集陣列中組裝。

另一方面，中性原子沒有接近的問題。使用中性原子作為量子比特的主要障礙是，與離子不同，它們經(jīng)受非常微弱的力并且不容易保持在原位。

“訣竅是捕獲它們，特別是捕獲它們中的許多，”Vuletic說。“人們已經(jīng)能夠捕獲許多中性原子，但不能以某種方式與它們形成規(guī)則結(jié)構(gòu)。對于量子計算，您需要能夠通過單獨(dú)控制將特定原子移動到特定位置。“

設(shè)置陷阱

為了捕獲單個中性原子，研究人員首先使用激光將銣原子云冷卻到接近絕對零度的超冷，使原子從通常的高速軌跡減速。然后，他們將第二個激光束引導(dǎo)通過儀器，該儀器將激光束分成許多較小的光束，其數(shù)量和角度取決于施加到偏轉(zhuǎn)器的射頻。

研究人員將較小的激光束聚焦在超冷原子云中，發(fā)現(xiàn)每個光束的焦點(diǎn) - 光束強(qiáng)度最高的點(diǎn) - 吸引了一個原子，基本上將它從云中取出并將其固定到位。

“這類似于通過摩擦羊毛，并用它來拾取小紙片來充電梳子，”Vuletic說。“這是與原子類似的過程，它被光場的高強(qiáng)度區(qū)域所吸引。”

當(dāng)原子被捕獲時，它們會發(fā)光，科學(xué)家們使用電荷耦合器件相機(jī)拍攝。通過觀察他們的圖像，研究人員能夠辨別哪些激光束或鑷子持有原子，哪些不是。然后他們可以改變每個光束的射頻以“關(guān)閉”沒有原子的鑷子，并用原子重新排列，以創(chuàng)建沒有缺陷的陣列。該團(tuán)隊(duì)最終創(chuàng)建了50個原子的陣列，這些原子被固定了幾秒鐘。

“問題始終是，你能在這段時間內(nèi)完成多少量子操作?”Vuletic說。“中性原子的典型時間尺度約為10微秒，因此您可以在一秒鐘內(nèi)完成大約100,000次操作。我們現(xiàn)在認(rèn)為這一生很好。“

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在調(diào)查他們是否可以鼓勵中性原子執(zhí)行量子門 - 這是兩個量子比特之間最基本的信息處理。雖然其他人已經(jīng)在兩個中性原子之間證明了這一點(diǎn)，但他們無法在涉及大量原子的系統(tǒng)中保留量子門。如果Vuletic和他的同事能夠在50個或更多原子的系統(tǒng)中成功地誘導(dǎo)量子門，他們將朝著實(shí)現(xiàn)量子計算邁出重要的一步。

“除了量子計算之外，人們還希望進(jìn)行其他實(shí)驗(yàn)，例如模擬凝聚態(tài)物理，使用預(yù)定數(shù)量的原子，現(xiàn)在使用這種技術(shù)應(yīng)該是可能的，”Vuletic說。“這是非常令人興奮。”