當(dāng)原子變得非常接近時，它們會發(fā)展出有趣的相互作用，可以利用這些相互作用來創(chuàng)建新一代的計算和其他技術(shù)。由于光學(xué)顯微鏡的基本局限性，已證明很難在實驗上研究量子物理學(xué)領(lǐng)域的這些相互作用。

現(xiàn)在，由電氣工程學(xué)助理教授杰夫·湯普森(Jeff Thompson)領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓研究人員團(tuán)隊已經(jīng)開發(fā)出一種控制和測量原子的新方法，它們之間的距離非常近，光學(xué)透鏡無法區(qū)分它們。

在10月30日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇文章中對他們的方法進(jìn)行了描述，他們的方法是在納米級光學(xué)電路中使用微調(diào)激光器來激發(fā)晶體中間隔很近的原子。研究人員利用了每個原子對激光的頻率或顏色稍有不同的反應(yīng)這一事實，使研究人員無需依賴其空間信息即可解析和控制多個原子。

在傳統(tǒng)的顯微鏡中，當(dāng)兩個原子之間的間隔小于一個稱為衍射極限的關(guān)鍵距離(該距離大致等于光的波長)以下時，它們之間的空間就會有效消失。這類似于兩個遙遠(yuǎn)的恒星在夜空中出現(xiàn)為單個光點。但是，這也是原子開始相互作用并產(chǎn)生豐富有趣的量子力學(xué)行為的尺度。

“我們一直想知道，在最基本的層面上-在固體內(nèi)部，在晶體內(nèi)部-原子實際上是做什么的?它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?” 加州理工學(xué)院的物理學(xué)家安德烈·法勞恩(Andrei Faraon)說，他沒有參與這項研究。“ [這篇論文]打開了一個窗口，可以研究非常非常接近的原子。”

在很小的距離上研究原子及其相互作用，使科學(xué)家能夠探索和控制稱為自旋的量子性質(zhì)。作為一種動量形式，旋轉(zhuǎn)通常被描述為向上或向下(或同時向上或向下)，但這是另一回事。當(dāng)兩個原子之間的距離逐漸縮小時(僅十億分之一米)，一個原子的自旋會影響另一個原子的自旋，反之亦然。當(dāng)自旋在這個領(lǐng)域相互作用時，它們可能會糾纏在一起，這是科學(xué)家用來形容兩個或多個不可分割地聯(lián)系在一起的粒子的術(shù)語。糾纏的粒子的行為就像它們共享一個存在，無論它們后來相距多遠(yuǎn)。糾纏是將量子力學(xué)分開的基本現(xiàn)象來自古典世界，它是量子技術(shù)愿景的中心。新的普林斯頓裝置是科學(xué)家以前所未有的清晰度研究這些自旋相互作用的墊腳石。

新型普林斯頓裝置的一個重要特征是其一次可處理數(shù)百個原子的潛力，提供了一個收集經(jīng)驗數(shù)據(jù)的豐富的量子實驗室。對于希望釋放現(xiàn)實的最深奧秘的物理學(xué)家來說，這是一個福音。

這樣的詢問不僅僅是深奧的。在過去的三十年中，工程師們一直試圖利用量子現(xiàn)象來創(chuàng)建用于信息處理和通信的復(fù)雜技術(shù)，從能夠解決原本不可能解決的問題的新興量子計算機(jī)的邏輯構(gòu)建模塊，到可以將機(jī)器鏈接到計算機(jī)的超安全通信方法。不可入侵的量子互聯(lián)網(wǎng)。為了進(jìn)一步開發(fā)這些系統(tǒng)，科學(xué)家將需要可靠地糾纏粒子，并利用它們的糾纏來編碼和處理信息。

湯普森的團(tuán)隊看到了的機(jī)會。研究人員稱，傳統(tǒng)上將in用于激光和磁體中，由于其難以觀察，因此并未廣泛用于量子系統(tǒng)中。該團(tuán)隊在2018年取得了突破，開發(fā)了一種增強(qiáng)這些原子發(fā)出的光并極其有效地檢測該信號的方法。現(xiàn)在他們已經(jīng)證明他們可以全部做到。

當(dāng)激光照亮原子時，它激發(fā)它們的強(qiáng)度足以使它們以獨特的頻率發(fā)出微弱的光，但足以保留并讀出原子的自旋。這些頻率根據(jù)原子的不同狀態(tài)而微妙地變化，因此“上”具有一個頻率，“下”具有另一個頻率，每個單獨的原子都有自己的一對頻率。

“如果您有這些量子位的集合，它們都以略有不同的頻率發(fā)射光。因此，即使我們沒有能力將激光器仔細(xì)調(diào)整為一個或另一個的頻率，我們也可以解決這些問題。在空間上解決它們，”湯普森說。“每個原子都能看到所有的光，但是它們只收聽被調(diào)諧到的頻率。”

這樣，光的頻率就可以很好地代表旋轉(zhuǎn)。上下切換自旋可以為研究人員提供一種進(jìn)行計算的方法。它類似于經(jīng)典計算機(jī)中打開或關(guān)閉的晶體管，從而產(chǎn)生了數(shù)字世界中的零和零。

為了形成有用的量子處理器的基礎(chǔ)，這些量子位將需要進(jìn)一步發(fā)展。

湯普森實驗室的博士后研究員，論文的兩位主要作者之一陳松濤說：“相互作用的強(qiáng)度與兩次旋轉(zhuǎn)之間的距離有關(guān)。” “我們希望使它們靠近，以便我們可以進(jìn)行這種相互的相互作用，并使用這種相互作用來創(chuàng)建量子邏輯門。”

量子邏輯門需要兩個或多個糾纏的量子比特，使其能夠執(zhí)行唯一的量子操作，例如計算蛋白質(zhì)的折疊模式或在量子互聯(lián)網(wǎng)上路由信息。

湯普森(Thompson)在美國能源部新的1.15億美元量子科學(xué)計劃中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)，他的使命是使這些量子比特緊隨其后。在量子優(yōu)勢協(xié)同設(shè)計中心的材料推動下，他領(lǐng)導(dǎo)了用于計算和聯(lián)網(wǎng)的子量子比特。

他的系統(tǒng)是一種新型的qubit，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中特別有用，它可以使用現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行操作，通過硅設(shè)備和光纖以編碼光的形式發(fā)送信號。這兩種特性使在當(dāng)今最先進(jìn)的固態(tài)量子比特上具有工業(yè)優(yōu)勢，后者通過可見光波長傳輸信息，而這些波長在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中無法很好地工作。

盡管如此，要大規(guī)模運行，the系統(tǒng)將需要進(jìn)一步設(shè)計。

盡管團(tuán)隊可以控制和測量其量子位的自旋狀態(tài)，無論它們有多近，并使用光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高保真度測量，但他們?nèi)詿o法根據(jù)需要排列量子位以形成兩個量子位的門。為此，工程師將需要找到其他材料來容納host原子。本研究的設(shè)計考慮了未來的改進(jìn)。

電氣工程專業(yè)六年級研究生，論文的兩位負(fù)責(zé)人之一穆克蒂克·拉哈(Mouktik Raha)說：“我們進(jìn)行此實驗的主要優(yōu)勢之一是，它與host的宿主無關(guān)。”作者。“只要您能將放進(jìn)去并且它不會晃動，您就可以走了。”