近日MIT哈佛的量子研究團隊發(fā)明了一項新技術(shù)，用激光束將原子從原子云中一個一個孤立出來，而且不帶電荷。目前他們已將創(chuàng)造出了由 50 個原子構(gòu)成的原子陣列，其中的每個原子都能單獨控制?？茖W(xué)家們會用照相機拍下這些被囚禁的原子及其位置的圖像，然后基于這些圖像，操作激光束的角度，來移動單個原子形成任意數(shù)量的不同組態(tài)（configurations）。
原子、光子和其他量子粒子天生頑固；很少處于停頓狀態(tài)，同一種量子粒子間常常產(chǎn)生碰撞。如果能把大量量子一個個單獨用量子圍欄攔起來控制住，就可以將它們作為量子比特——一種極小的信息單元，其狀態(tài)和方向可用來進(jìn)行計算，速度要比當(dāng)下基于半導(dǎo)體的計算機芯片快上很多。
最近幾年，科學(xué)家想了很多方法來把每個量子單獨囚禁起來控制住。但是這類技術(shù)很難能擴展，因為缺少操控大量原子的可靠方法，這是實現(xiàn)量子計算的重大障礙。
現(xiàn)在，來自哈佛和 MIT 的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種有望解決這一問題的方法。相關(guān)論文發(fā)表在近日的 Science 雜志上，論文中提到他們發(fā)現(xiàn)一種新的方法，使用激光器或「光鉗」（optical「tweezers」）來將原子一個一個從原子云中挑出來囚禁在某個地方。當(dāng)原子被「囚禁」時，科學(xué)家們會用照相機拍下這些原子及其位置的圖像。然后基于這些原子的圖像，操作激光光束的角度，來移動單個原子形成任意數(shù)量的不同組態(tài)（configurations）。
該研究團隊目前已將創(chuàng)造出了由 50 個原子構(gòu)成的原子陣列，并操控它們進(jìn)入各種無缺陷的形狀（pattern），其中的每個原子都能單獨控制。論文作者之一，MIT 物理系的 Lester Wolfe 教授 Vladan Vuletic，將這一過程比喻為「從底部向上建立一個原子的小晶體?！?br />
我們已經(jīng)展示了一個可重復(fù)組態(tài)的（reconfigurable）單個原子的陷阱陣列，在這里面我們能確切地在分開的陷阱中將 50 個原子單獨囚禁，用于未來的量子信息處理、量子模擬或者精確度測量，」Vuletic 說，他也是 MIT 電子研究實驗室的成員。「就好像把原子當(dāng)樂高積木來玩，你可以決定每塊積木的位置?！?/div>
保持中性
該研究團隊設(shè)計的操縱中性原子的技術(shù)是不帶電荷的。其他大多數(shù)量子實驗中的原子總會帶上電荷，或者離子，因為帶上電荷的原子比較容易被囚禁。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)特定條件下的離子可被作為量子門——兩個量子比特之間的邏輯運算，類似于經(jīng)典的電路中的邏輯門。然而由于天生帶電荷，離子間相互排斥，很難組成密集的陣列。
與離子不同，中性原子之間在緊密性上沒有問題。使用中性原子作為量子比特的主要障礙是，它們受到的外力非常微弱，很難被控制在一個地方。
設(shè)陷阱
為了囚禁單個的中性原子，研究者們首次使用了一個激光器來將一團銣原子云冷卻成超冷原子，其溫度接近絕對 0 度，讓原子從正常的高速軌道上慢下來。之后他們讓第二個激光光束通過儀器分成很多小的光束，其數(shù)量和角度可以通過導(dǎo)流板（deflector）上的無線電頻率來控制。
研究者將這些小光束聚焦通過超冷原子云，并發(fā)現(xiàn)每一個光束的聚焦點——光束強度最高的點，都吸引了一個單個原子，將它們從云中完全孤立出來控制在某個地方。
「這就好像在某種毛織物上摩擦梳子帶電，然后 用它來撿起一小片紙，」Vuletic 說?！高@個過程類似于被吸引到光場（light field）中高強度區(qū)域的原子?！箍茖W(xué)家使用電荷耦合器件相機捕獲的原子雖然被囚禁住了，但它們還能發(fā)光。通過查看它們的圖像，研究者可以辨別出哪些激光束或者「光鉗」控制住了原子，哪些沒有。然后，他們可以改變每個激光束的無線電頻率來「關(guān)掉」無原子的光束，重新排列那些帶有原子的光束，該研究小組最終創(chuàng)建了 50 個原子的陣列，這些原子被囚禁在某個地方的時間長達(dá)幾秒。
「現(xiàn)在的問題依然是這次你能執(zhí)行多少次量子運算？」Vuletic 說。「通常中性原子的時間刻度（timescale）大約是 10 微妙，所以你可以在一秒內(nèi)做 10 萬次運算，我認(rèn)為這是一個很好的結(jié)果了?！?br />
現(xiàn)在，該研究團隊仍在他們是否能夠促使中性原子作為量子門——兩個量子比特之間的最基本的信息處理。雖然有其他研究者在量子中性原子之間展示了這一過程，但他們還無法在大量原子的系統(tǒng)中保留量子門。如果 Vuletic 和他的同事能成功地在他們的 50 個原子的系統(tǒng)中誘導(dǎo)出量子門，他們就會在實現(xiàn)量子計算的道路上邁出意義重大的一步。
「對于除量子計算外的其他實驗，比如用具有預(yù)定數(shù)量的原子模擬凝聚態(tài)物理。用我們的技術(shù)就可以實現(xiàn)，」Vuletic 說這讓他非常興奮。
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