新技术允许粒子切换彼此的量子状态

科学家们已经开发出一种捕获铷原子的新方法，在光栅中捕获铷原子，这可以帮助发展量子计算。插图：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

麻省理工学院和哈佛大学的研究人员开发了一种新的技术，这些技术与单光颗粒耦合孤立，允许原子和光子切换其他颗粒的量子状态。

使用激光在光线晶格表面附近放置近葡萄酒原子，麻省理工学院和哈佛大学的科学家们已经开发了一种连接粒子的新方法 - 一个可以帮助开发强大的量子计算系统。

新技术，在今天发表的论文中描述的，允许研究人员将铷，金属，单个光子或光颗粒的孤立耦合。这允许原子和光子来切换另一个粒子的量子状态，提供一种机制，通过该机制通过该机制可以通过该机制来实现量子级计算操作。

此外，科学家认为他们的技术将允许它们增加在小空间内发生的有用交互的数量，从而缩放可用量子计算处理的量。

“这是该系统的一个重大进展，”MIT的物理学和研究实验室教授（RLE）和纸张的共同作者，MIT的物理学和研究实验室教授VladanUpletić说。“我们基本上证明了原子可以切换光子的相位。光子可以切换原子的阶段。“

也就是说，光子可以具有两个偏振态，并且与原子的相互作用可以将光子从一个状态改变为另一个状态;相反，与光子的相互作用可以改变原子的相位，这相当于将原子的量子状态从其“激发”状态改变为其“激发”状态。以这种方式，原子 - 光子耦合可以用作传输信息的量子开关 - 经典计算系统中的晶体管等效。并且通过将许多原子放在同一领域内，研究人员可以能够建立可以更有效地处理量子信息的网络。

“你现在可以想象在那里放置几个原子，使这些装置中的几个 - 只有几百纳米厚，比人类的头发更薄1000倍 - 并将它们一起结合在一起，使它们交换信息，”vuleTić补充说。

使用光子腔

量子计算可以通过利用粒子的独特量子级特性来实现快速性能。一些颗粒可以是叠加的条件，同时出现在两个地方存在。叠加中的粒子，称为QUBits，因此可以包含比经典尺度的粒子更多的信息，并且允许更快的计算。

然而，研究人员处于确定哪种材料最适合量子级计算的早期阶段。MIT和哈佛研究人员已经将光子作为候选材料检查，因为光子很少与其他颗粒相互作用。因此，使用光子的光学量子计算系统可能更难以敲出其微妙的对准。但由于光子很少与其他物质相互作用，因此它们难以首先操纵。

在这种情况下，研究人员使用激光将铷原子放置非常接近光子晶体腔的表面，是光的结构。原子被置于不超过100或200纳米的 - 从腔边的边缘置于小于光的波长。在这样的小距离处，原子与光场的表面之间存在强烈的吸引力，该研究人员用于将原子捕获到位。

以前考虑了制备类似结果的其他方法 - 例如，实际上，将原子滴入光线，然后发现并捕获它们。但研究人员发现它们以这种方式对粒子进行了更大的控制。

“在某种意义上，这是一个很大的惊喜，这种解决方案与不同的技术进行了比较，你可能会想到那里的原子，”vuletić说。

结果是他所谓的“混合量子系统”，其中inpidum原子耦合到微观制造装置，并且可以以生产方式控制原子和光子。研究人员还发现，新设备用作一种分离彼此光子的路由器。

“这个想法是将不同的事物与这种方式相结合，以产生新的东西，”vulaTić说，补充说：“这是技术的进步。当然，无论这将是该技术还有待观察。“

“仍然惊人”抓住一个原子

本文，“纳光电量子型开关用单一原子”，由vuletić共同撰写; Tobias TieCke，与RLE和哈佛附属的POSTDOC;哈佛大学物理学教授米哈伊尔·卢辛;哈佛邮政编码Nathalie de Leon;哈佛研究生杰夫汤普森和博柳。

麻省理工学院和哈佛研究人员之间的合作是当前性质问题中描述的领域的两个进步之一。德国Max Planck Quantum光学研究所的研究人员同时开发了一种使用镜子的产生原子光子相互作用的新方法，形成量子门，其改变光子的运动方向或极化。

“哈佛/麻省理工学院实验是量子非线性光学元件的杰作，令人印象深刻地展示了单个原子的优势，以控制量子灯场的控制，”最大普朗克研究所的量子光学研究所的教授Gerhard Rempe说德国团队的新研究，并阅读了美国团队的论文。“耦合到光子晶体谐振器的原子的相干操纵构成突破，并将自己的工作与…介电镜谐振器中的原子互补。”

Rempe补充说，他认为这两种技术将被视为标识的“朝向具有固定原子和飞行光子的强大量子技术的成就”。

如果研究技巧似乎有点未来派，那么奢侈，即使是该领域的经验丰富的研究人员，他也仍然被他所处理的工具略微遮挡。

“对于我仍然惊人，在这20年工作之后，”奢侈性反映“是我们可以抓住一个原子，我们可以看到它，我们可以移动它，我们可以准备量子叠加原子，我们可以一个接一个地发现它们。“

该研究的资金是由国家科学基金会，Mit-Harvard Atoms，加拿大自然科学和工程研究委员会，科学研究空军办公室和Packard基金会的秘密原子麻省理工学院哈佛大学中心提供。

出版物：T. G. Tiecke等人，“纳光电量子相开关用单个原子”，自然508,241-244,2014; DOI：10.1038 / Nature13188

图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）