通过新的方法来仔细看看量子怪异来控制和测量原子

艺术家在普林斯顿大学开发的测量和控制量子旋转方法的渲染。

当原子变得非常接近时，它们会产生可利用的兴趣相互作用，以创造新的几代计算和其他技术。这些群体在量子物理学领域的相互作用已经难以通过光学显微镜的基本限制来实验研究。

现在，普林斯顿研究人员团队由电气工程助理教授Jeff Thompson领导，已经开发出一种控制和测量如此紧密的原子的新方法，这些原子没有光学镜头可以区分它们。

在2020年10月30日公布的文章中描述，在杂志中，它们的方法在纳米级光学电路中使用精细调谐的激光在晶体中激发紧密间隔的铒原子。研究人员利用每个原子对激光响应略微不同的频率或颜色，使研究人员能够解决和控制多个原子而不依赖于其空间信息。

在传统的显微镜中，当它们的分离低于称为衍射极限的键距离时，两个原子之间的空间有效地消失，这大致等于光的波长。这类似于两个遥远的恒星，这些恒星在夜空中显示为单点光。然而，这也是原子开始互动并产生丰富和有趣的量子力学行为的规模。

“我们总是怀疑，在最基本的水平内固体，内部 - 原子实际上是什么？他们如何互动？“在加州工业大学教授的物理学家安德烈法鲁·法拉表示，他并没有参与研究。“这[本文]打开窗口来学习非常非常近距离的原子。”

学习原子及其在微小距离的相互作用允许科学家探索和控制称为旋转的量子属性。作为一种动力的形式，旋转通常被描述为上下或倒数（或两者，而是这是另一个故事）。当两个原子之间的距离生长消失的小米的仪表 - 旋转的速度 - 一个人对另一个的旋转产生影响，反之亦然。随着旋转在这个领域中的互动，它们可以变得纠缠，一个术语科学家用来描述两种或更多种颗粒，这些颗粒是有无明显的连接。纠缠颗粒表现得好像它们共享一个存在，无论他们后来有多远。纠缠是将量子力学从古典世界分离的基本现象，它在量子技术的视野中。新的普林斯顿设备是一款用于科学家的踏脚石，以研究这些自旋互动与前所未有的清晰度。

新普林斯顿设备的一个重要特征是它一次地满足数百个原子的可能性，提供了一个富量子实验室，用于收集经验数据。这是一个希望解锁现实最深的奥秘的物理学家的福音，包括纠缠的幽灵性质。

此类查询不仅仅是宇宙。在过去的三十年中，工程师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，从新兴量子计算机的逻辑构建块，能够解决可能将机器链接到的超声通信方法。不加载量子互联网。要进一步开发这些系统，科学家们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。

汤普森的团队在铒中看到了一个机会。传统上用于激光和磁铁中，erbium没有广泛探索在量子系统中使用，因为根据研究人员难以观察。该团队于2018年突破，开发一种方法来增强这些原子发出的光，并非常有效地检测该信号。现在他们已经表明他们可以通过所有en masse来做。

当激光照射原子时，它可以激发它们足以让它们以独特的频率发出微弱的光，但是足以容纳并读出原子的旋转。这些频率根据原子的不同状态如此巧妙地改变，因此“向上”具有一个频率，并且“向下”具有另一个频率，并且每个渗透原子都有自己的一对频率。

“如果您有这些QUBITS的集合，则它们都以非常略微不同的频率发光。因此，通过仔细地将激光调谐到另一个或频率的频率，我们可以解决它们，即使我们没有能力在空间上解决它们，“汤普森说。“每个atom都看到了所有光线，但他们只听他们调整到的频率。”

光的频率是旋转的完美代理。向上和向下切换旋转使研究人员能够进行计算。它类似于在经典计算机中打开或关闭的晶体管，从而引起我们的数字世界中的零。

为了形成有用量子处理器的基础，这些QBITS需要更进一步的步骤。

“互动的力量与两种旋转之间的距离有关，”汤普森实验室的博士法研究员和本文的两个引导作者之一，陈涛陈说。“我们希望让它们关闭，所以我们可以拥有这种相互作用，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个缠绕Qubits，使得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的路由信息​​。

在美国能源部新的1150万美元的Quantum科学倡议中拥有领导地位的汤普森，是一项使得这些争夺脚跟的使命。在Quantum Advantage的共同设计中心的材料面积内，他引导了对计算和网络的onqubits的部分。

他的铒系统，一种在网络应用中特别有用的新型Qubit，可以使用现有的电信基础设施来运行，以硅装置和光纤在编码光的形式中发送信号。这两个属性在当今最先进的固态QUBITS上提供erbium一个工业边缘，其通过不适用光纤通信网络不适用的可见光波长传输信息。

仍然在规模​​上运营，需要进一步设计铒系统。

虽然该团队可以控制和测量其Qubits的旋转状态，但无论它们有多接近，都使用光学结构来产生高保真度量，但它们尚无法根据需要排列Qubits以形成双量标门。为此，工程师需要找到不同的材料来托管铒原子。该研究旨在思考未来的未来改善。

“我们所做的方式的主要优势之一是，它与erbium坐在欧洲铒的内容无关，”电气工程学三年研究生Mouktik Raha表示，其中的两个铅作者。“只要你可以把erbium放在它里面，它就不会抖动，你很高兴。”

参考：Songtao Chen，Mouktik Raha，Christopher M.Pencicie，Salim Ouari和Jeff D. Thompson，2020年10月30日，Soncience.2020年10月30日，Soncome.2020年10月30日：
10.1126 / science.abc7821

Christopher M. Phenicie和Salim Ouari，电气工程研究生也为本。该作品与普林斯顿量子倡议结合开展，部分由国家科学基金会，普林斯顿复杂材料中心，科学研究空军办公室的年轻调查员计划和国防高级研究项目组成。