不匹配的伴侣正在被冷却:一个铍离子(红色，左)和一个高电荷氩离子(紫色，右)被来自不同侧面的激光轰击，几乎完全停止
信用:PTB 激光束能做的不仅仅是加热；他们也可以让他们冷静下来
对于致力于精密光谱学和光学原子钟发展的物理学家来说，这并不是什么新鲜事
但新的是，物理技术研究所QUEST研究所的研究人员已经能够用他们的高电荷离子达到极低的温度——这种离子以前从未被冷却到200 K
致力于此的团队成功地将他们已经建立的方法结合起来，包括耦合离子的激光冷却和量子计算领域的方法
量子算法的应用确保了对于传统激光冷却来说太不相似而无法有效工作的离子最终可以一起冷却
这意味着我们正越来越接近一个带有高电荷离子的光学原子钟，这个钟可能比现有的光学原子钟更精确
研究结果已经发表在本期《物理评论十》上
如果你想极其精确地研究粒子——比如离子——的话(比如，使用精密光谱学或者在原子钟中测量它们的频率)，那么你必须尽可能地让它们接近静止状态
最极端的停顿和最低可能温度是一样的——意味着你必须尽可能高效地冷却它们
其中一种成熟的高科技冷却方法是所谓的激光冷却
这种方法可以看到粒子被巧妙排列的激光减速
然而，并不是每个粒子都适合这种方法
这就是为什么QUEST研究所长期使用成对的耦合离子来克服这一点:一个离子(称为“冷却离子”或“逻辑离子”)被激光冷却；同时，它的偶联伴侣离子也被冷却，然后可以进行光谱研究(因此，它被称为“光谱离子”)
但是这种方法以前总是在两种离子的荷质比相差太大时达到极限——也就是说，当它们的质量相差很大，电荷相差很大时
QUEST物理学家斯蒂夫·金解释说:“但现在正是这些离子对我们的研究特别感兴趣，例如，开发新型光学时钟。”
由于他和他的团队在应用量子力学定律(耦合冷却毕竟是基于量子定律)方面自然非常有经验，他们利用了量子计算研究人员的工具包
量子算法—i
e
基于操纵单个量子的计算机操作，不能仅用于比量子计算机更快地执行计算
它们也有助于从错配的离子对中提取动能
在所谓的算法冷却过程中，量子操作就是用来这样做的:将能量从光谱离子几乎不可冷却的运动转移到逻辑离子容易冷却的运动
他们成功地做到了这一点:“我们能够从这对离子中提取出如此多的能量——由一个带单电荷的铍离子和一个带高电荷的氩离子组成——以至于它们的温度最终下降到只有200 K，”QUEST的一名Ph说
D
学生卢卡斯·斯皮奥
这样的系综从未如此接近绝对零度(如:如此静止)
“此外，我们还观察到了前所未有的低水平电场噪声，”他进一步说道
这种噪音通常会导致离子在冷却停止时被加热，但在他们的设备中这种噪音特别低
将这两件事结合起来意味着他们前进道路上的最后一个主要障碍现在已经被克服了，一个基于高电荷离子的光学原子钟可以被建造出来
这个原子钟的不确定性可能小于10–18
目前只有世界上最好的光学原子钟能够达到这种性能
这些发现对量子计算机的发展和精密光谱学也具有重要意义
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