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近日MIT哈佛的量子研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一項(xiàng)新技術(shù)，用激光束將原子從原子云中一個(gè)一個(gè)孤立出來(lái)，而且不帶電荷。目前他們已將創(chuàng)造出了由 50 個(gè)原子構(gòu)成的原子陣列，其中的每個(gè)原子都能單獨(dú)控制。科學(xué)家們會(huì)用照相機(jī)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(lái)移動(dòng)單個(gè)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(gè)個(gè)單獨(dú)用量子圍欄攔起來(lái)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(lái)進(jìn)行計(jì)算，速度要比當(dāng)下基于半導(dǎo)體的計(jì)算機(jī)芯片快上很多。
最近幾年，科學(xué)家想了很多方法來(lái)把每個(gè)量子單獨(dú)囚禁起來(lái)控制住。但是這類技術(shù)很難能擴(kuò)展，因?yàn)槿鄙俨倏卮罅吭拥目煽糠椒ǎ@是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的重大障礙。
現(xiàn)在，來(lái)自哈佛和 MIT 的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種有望解決這一問(wèn)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(lái)將原子一個(gè)一個(gè)從原子云中挑出來(lái)囚禁在某個(gè)地方。當(dāng)原子被「囚禁」時(shí)，科學(xué)家們會(huì)用照相機(jī)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(lái)移動(dòng)單個(gè)原子形成任意數(shù)量的不同組態(tài)（configurations）。
該研究團(tuán)隊(duì)目前已將創(chuàng)造出了由 50 個(gè)原子構(gòu)成的原子陣列，并操控它們進(jìn)入各種無(wú)缺陷的形狀（pattern），其中的每個(gè)原子都能單獨(dú)控制。論文作者之一，MIT 物理系的 Lester Wolfe 教授 Vladan Vuletic，將這一過(guò)程比喻為「從底部向上建立一個(gè)原子的小晶體。」
我們已經(jīng)展示了一個(gè)可重復(fù)組態(tài)的（reconfigurable）單個(gè)原子的陷阱陣列，在這里面我們能確切地在分開(kāi)的陷阱中將 50 個(gè)原子單獨(dú)囚禁，用于未來(lái)的量子信息處理、量子模擬或者精確度測(cè)量，」Vuletic 說(shuō)，他也是 MIT 電子研究實(shí)驗(yàn)室的成員。「就好像把原子當(dāng)樂(lè)高積木來(lái)玩，你可以決定每塊積木的位置。」
保持中性
該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)中的原子總會(huì)帶上電荷，或者離子，因?yàn)閹想姾傻脑颖容^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(mén)——兩個(gè)量子比特之間的邏輯運(yùn)算，類似于經(jīng)典的電路中的邏輯門(mén)。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(méi)有問(wèn)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(gè)地方。
設(shè)陷阱
為了囚禁單個(gè)的中性原子，研究者們首次使用了一個(gè)激光器來(lái)將一團(tuán)銣原子云冷卻成超冷原子，其溫度接近絕對(duì) 0 度，讓原子從正常的高速軌道上慢下來(lái)。之后他們讓第二個(gè)激光光束通過(guò)儀器分成很多小的光束，其數(shù)量和角度可以通過(guò)導(dǎo)流板（deflector）上的無(wú)線電頻率來(lái)控制。
研究者將這些小光束聚焦通過(guò)超冷原子云，并發(fā)現(xiàn)每一個(gè)光束的聚焦點(diǎn)——光束強(qiáng)度最高的點(diǎn)，都吸引了一個(gè)單個(gè)原子，將它們從云中完全孤立出來(lái)控制在某個(gè)地方。
「這就好像在某種毛織物上摩擦梳子帶電，然后 用它來(lái)?yè)炱鹨恍∑垼筕uletic 說(shuō)。「這個(gè)過(guò)程類似于被吸引到光場(chǎng)（light field）中高強(qiáng)度區(qū)域的原子。」科學(xué)家使用電荷耦合器件相機(jī)捕獲的原子雖然被囚禁住了，但它們還能發(fā)光。通過(guò)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(méi)有。然后，他們可以改變每個(gè)激光束的無(wú)線電頻率來(lái)「關(guān)掉」無(wú)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(gè)原子的陣列，這些原子被囚禁在某個(gè)地方的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾秒。
「現(xiàn)在的問(wèn)題依然是這次你能執(zhí)行多少次量子運(yùn)算？」Vuletic 說(shuō)。「通常中性原子的時(shí)間刻度（timescale）大約是 10 微妙，所以你可以在一秒內(nèi)做 10 萬(wàn)次運(yùn)算，我認(rèn)為這是一個(gè)很好的結(jié)果了。」
現(xiàn)在，該研究團(tuán)隊(duì)仍在他們是否能夠促使中性原子作為量子門(mén)——兩個(gè)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(guò)程，但他們還無(wú)法在大量原子的系統(tǒng)中保留量子門(mén)。如果 Vuletic 和他的同事能成功地在他們的 50 個(gè)原子的系統(tǒng)中誘導(dǎo)出量子門(mén)，他們就會(huì)在實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的道路上邁出意義重大的一步。
「對(duì)于除量子計(jì)算外的其他實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)，」Vuletic 說(shuō)這讓他非常興奮。
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