物理学家通过用原子缠结分子来构建混合量子系统 - 可以实现大型量子计算机

NIST物理学家James Chin-Wen Chou调整了用于操纵原子的激光束和可以帮助构建混合量子信息系统的实验中的原子和分子。

国家标准和技术研究所（NIST）的物理学家通过连接或“缠绕”电荷的原子和电荷分子来促进它们对量子水平分子的基本性质的控制，展示了一种构建混合量子信息的方法可以操纵，存储和传输不同形式的数据的系统。

在2020年5月20日在线发布的自然纸张中描述，新的NIST方法可以通过基于其他不兼容的硬件设计和操作频率来连接量子位（QUBits）来帮助构建大规模量子计算机和网络。混合平台量子系统可以提供类似于传统计算机系统的多功能性，例如，可以在电子处理器，光盘和磁硬盘之间交换数据。

NIST实验成功地缠绕了与分子的旋转状态的原子离子中的电子的性质，从而测量一个颗粒将控制另一个颗粒的性质。该研究在同一组2017年对分子的量子控制的示范中构建，其长期以来用于操纵原子，以便将原子更加复杂和潜在更加富有成效的竞技场，这些技术由分子提供的多个原子组成。

分子具有各种内部能级，如原子，但也以许多不同的速度和角度旋转和振动。因此，分子可以通过将量子信息转换为每秒几千到几个峰周周期的各种量子位频率转换为量子系统中的量子系统中的介质。通过振动，分子可以提供更高的QUBBit频率。

“我们证明了原子离子和分子离子是纠结的，我们还显示了在分子中获得了广泛选择的Qubit频率，”NIST Mathicist James（Chin-Wen）Chou说。

Qubit在两个不同的量子状态方面表示数字数据比特0和1，例如原子中的低能量水平。qubit也可以在两个状态的“叠加”中存在。NIST研究人员用两种不同的氢化钙分子离子的旋转状态缠结了两个钙原子离子的能量水平，这是与氢原子键合的钙离子。分子Qubbit的过渡频率 - 两个旋转状态之间的循环速度 - 低能量为13.4千赫（KHz，每秒数千个循环）或高能量，每秒855亿次（Gigahertz或GHz）。

“分子提供了各种过渡频率，我们可以选择许多类型的分子，因此这是我们可以带入量子信息科学的巨大量频率的巨大频率。”“我们正在利用自然界中发现的过渡，所以结果对每个人都相同。”

该实验使用了各种强度，取向和脉冲序列的蓝色和红外激光束的特定公式，以冷却，缠绕并测量离子的量子状态。

首先，NIST研究人员被困并将两只离子冷却到了最低能量状态。由于其物理接近和正电荷，该对彼此击退，并且排斥是像锁定其运动的弹簧一样。激光脉冲向分子的旋转增加了能量，并产生了低能量和高能旋转状态的叠加，这也掀起了共用运动，因此两离子开始摇摆或在齐声上摆动，在这种情况下，在这种情况下。

因此，分子的旋转因其运动而缠结。更多的激光脉冲利用两个离子的共用运动来诱导原子离子进入低能高和高能量水平的叠加。以这种方式，从动议转移纠缠以包含原子。研究人员通过在其上闪烁并测量其荧光或散射多少光来确定原子离子的状态。

NIST研究人员用两组分子的旋转性能证明了该技术，成功实现了87％的时间与低能量对（QUBit）和76％的时间用更高能量对。在低能量箱中，分子以两个略微不同的角度旋转，如顶部，但同时在两个状态下。在高能量壳体中，分子同时旋转两个速率，通过速度差异分开。

通过2017实验所示的量子逻辑技术使得新的工作成为可能。研究人员将红外激光的脉冲施加到驱动分子中超过100个可能的旋转状态的两种之间的切换。研究人员知道这种转变发生，因为在两个离子的共同运动中加入了一定量的能量。研究人员知道离子基于原子离子给出的光信号缠结。

新方法可与各种不同元素组成的各种分子离子一起使用，提供广泛的Qubit属性。

该方法可以连接在不同频率下操作的不同类型的Qubits，例如原子和超导系统或光粒子，包括电信和微波部件。除了在量子信息中的应用之外，新技术也可用于制造量子传感器或进行量子增强的化学。

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参考：伊恒林，大卫·莱伯特，Dietrich Leibfried和Chin-Wen Chou，2020年5月20日，Nature.doi：
10.1038 / s41586-020-2257.1.

陆军研究办公室提供资金。