普林斯顿大学的斯科特·里昂 艺术家对普林斯顿大学开发的测量和控制量子自旋的方法的描绘
信用:雷切尔·大卫多维茨 当原子靠得非常近时，它们会产生有趣的相互作用，可以用来创造新一代的计算和其他技术
由于光学显微镜的基本限制，量子物理领域中的这些相互作用被证明很难通过实验来研究
现在，由电子工程助理教授杰夫·汤普森领导的普林斯顿研究小组开发了一种新的方法来控制和测量原子，这些原子靠得如此之近，以至于没有光学透镜能够区分它们
在10月发表的一篇文章中描述
30在《科学》杂志上，他们的方法是在纳米尺度的光电路中使用精细调谐的激光激发晶体中密集的铒原子
研究人员利用了这样一个事实，即每个原子对稍微不同的激光频率或颜色做出反应，允许研究人员解析和控制多个原子，而不依赖它们的空间信息
在传统的显微镜中，当两个原子之间的距离低于一个叫做衍射极限的关键距离时，两个原子之间的空间实际上消失了，这个距离大致等于光的波长
这类似于两颗遥远的恒星在夜空中以单一的光点出现
然而，这也是原子开始相互作用并产生丰富有趣的量子力学行为的尺度
“我们总是想知道，在最基本的层面上——在固体内部，在晶体内部——原子实际上是做什么的？他们是如何互动的？”没有参与这项研究的加州理工学院的物理学家安德烈·法朗教授说
“这篇[论文]打开了研究非常非常接近的原子的窗口
" 在很小的距离内研究原子及其相互作用，可以让科学家探索和控制一种被称为自旋的量子特性
作为动量的一种形式，自旋通常被描述为上升或下降(或者两者都有，但那是另一回事)
当两个原子之间的距离变得非常小——只有十亿分之一米——时，一个原子的自旋会影响另一个原子的自旋，反之亦然
当自旋在这个领域相互作用时，它们可能会纠缠在一起，科学家用这个术语来描述两个或多个紧密相连的粒子
纠缠的粒子表现得好像它们共享一个存在，不管它们后来相距多远
纠缠是将量子力学从经典世界中分离出来的基本现象，也是量子技术愿景的核心
普林斯顿的新设备是科学家们以前所未有的清晰度研究这些自旋相互作用的敲门砖
新的普林斯顿设备的一个重要特征是它一次处理数百个原子的潜力，为收集经验数据提供了一个丰富的量子实验室
对于希望解开现实最深奥秘的物理学家来说，这是一个福音，包括纠缠的怪异本质
这样的调查不仅仅是深奥的
在过去的三十年里，工程师们试图利用量子现象来创造复杂的信息处理和通信技术，从能够解决原本不可能解决的问题的新兴量子计算机的逻辑构建模块，到能够将机器连接到不可破解的量子互联网的超安全通信方法
为了进一步开发这些系统，科学家需要可靠地缠绕粒子，并利用它们的缠绕来编码和处理信息
汤普森的团队在铒中看到了一个机会
研究人员称，铒传统上用于激光和磁体，但由于难以观察，因此没有广泛用于量子系统
该团队在2018年取得了突破，开发了一种方法来增强这些原子发射的光，并极其有效地检测到该信号
现在他们已经证明了他们可以一起完成所有的事情
当激光照射到原子上时，它激发的能量刚好足以让它们以独特的频率发出微弱的光，但也足以保存和读出原子的自旋
这些频率根据原子的不同状态发生微妙的变化，因此“上”有一个频率，“下”有另一个频率，每个原子都有自己的一对频率
“如果你有一个这些量子位的系综，它们都以非常微小的不同频率发光
因此，通过将激光仔细调谐到一个频率或另一个频率，我们可以解决它们，尽管我们没有空间分辨它们的能力，”汤普森说
“每个原子都能看到所有的光，但它们只听它们被调谐到的频率
" 光的频率是自旋的完美代表
上下切换自旋给研究人员提供了一种计算方法
这类似于传统计算机中晶体管的开或关，产生了我们数字世界中的0和1
为了形成一个有用的量子处理器的基础，这些量子位需要更进一步
“相互作用的强度与两次旋转之间的距离有关，”汤普森实验室的博士后研究员、该论文的两位主要作者之一陈松涛说
“我们想让它们相互靠近，这样我们就可以相互作用，并利用这种相互作用创造一个量子逻辑门
" 一个量子逻辑门需要两个或更多纠缠量子位，这使得它能够执行独特的量子操作，例如计算蛋白质的折叠模式或量子互联网上的路由信息
汤普森在美国大学担任领导职务
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能源部新的1.15亿美元的量子科学计划，正在执行一项使这些量子比特就范的任务
在量子优势联合设计中心的材料部门，他领导着计算和网络的子量子位
他的铒系统是一种在网络应用中特别有用的新型量子位，可以利用现有的电信基础设施运行，通过硅器件和光纤以编码光的形式发送信号
与当今最先进的固态量子位相比，这两种特性赋予铒以工业优势。固态量子位通过可见光波长传输信息，而可见光波长与光纤通信网络配合不好
然而，要大规模运行，铒系统还需要进一步改造
尽管该团队可以控制和测量量子位的自旋状态，无论它们离得多近，并使用光学结构进行高保真测量，但他们还不能根据需要排列量子位来形成两个量子位的门
为此，工程师需要找到一种不同的材料来容纳铒原子
这项研究是考虑到未来的改进而设计的
“我们做这个实验的方法的一个主要优点是，它与铒所在的宿主无关，”六年级电气工程研究生穆克蒂克·拉哈说，他是该论文的两位主要作者之一
“只要你能把铒放进去，而且它不会抖动，你就可以走了
"
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