量子计算新进展,MIT联手哈佛用激光束实现单个中性原子的囚禁

近日MIT和哈佛的量子研究团队发明了一项新技术,用激光束将原子从原子云中一个一个孤立出来,而且不带电荷。目前他们已将创造出了由 50 个原子构成的原子阵列,其中的每个原子都能单独控制。科学家们会用照相机拍下这些被囚禁的原子及其位置的图像,然后基于这些图像,操作激光束的角度,来移动单个原子形成任意数量的不同组态(configurations)。

原子、光子和其他量子粒子天生顽固;很少处于停顿状态,同一种量子粒子间常常产生碰撞。如果能把大量量子一个个单独用量子围栏拦起来控制住,就可以将它们作为量子比特——一种极小的信息单元,其状态和方向可用来进行计算,速度要比当下基于半导体的计算机芯片快上很多。

最近几年,科学家想了很多方法来把每个量子单独囚禁起来控制住。但是这类技术很难能扩展,因为缺少操控大量原子的可靠方法,这是实现量子计算的重大障碍。

现在,来自哈佛和 MIT 的科学家发现了一种有望解决这一问题的方法。相关论文发表在近日的 Science 杂志上,论文中提到他们发现一种新的方法,使用激光器或「光钳」(optical「tweezers」)来将原子一个一个从原子云中挑出来囚禁在某个地方。当原子被「囚禁」时,科学家们会用照相机拍下这些原子及其位置的图像。然后基于这些原子的图像,操作激光光束的角度,来移动单个原子形成任意数量的不同组态(configurations)。

该研究团队目前已将创造出了由 50 个原子构成的原子阵列,并操控它们进入各种无缺陷的形状(pattern),其中的每个原子都能单独控制。论文作者之一,MIT 物理系的 Lester Wolfe 教授 Vladan Vuletic,将这一过程比喻为「从底部向上建立一个原子的小晶体。」

我们已经展示了一个可重复组态的(reconfigurable)单个原子的陷阱阵列,在这里面我们能确切地在分开的陷阱中将 50 个原子单独囚禁,用于未来的量子信息处理、量子模拟或者精确度测量,」Vuletic 说,他也是 MIT 电子研究实验室的成员。「就好像把原子当乐高积木来玩,你可以决定每块积木的位置。」

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保持中性

该研究团队设计的操纵中性原子的技术是不带电荷的。其他大多数量子实验中的原子总会带上电荷,或者离子,因为带上电荷的原子比较容易被囚禁。科学家还发现特定条件下的离子可被作为量子门——两个量子比特之间的逻辑运算,类似于经典的电路中的逻辑门。然而由于天生带电荷,离子间相互排斥,很难组成密集的阵列。

与离子不同,中性原子之间在紧密性上没有问题。使用中性原子作为量子比特的主要障碍是,它们受到的外力非常微弱,很难被控制在一个地方。

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设陷阱

为了囚禁单个的中性原子,研究者们首次使用了一个激光器来将一团铷原子云冷却成超冷原子,其温度接近绝对 0 度,让原子从正常的高速轨道上慢下来。之后他们让第二个激光光束通过仪器分成很多小的光束,其数量和角度可以通过导流板(deflector)上的无线电频率来控制。

研究者将这些小光束聚焦通过超冷原子云,并发现每一个光束的聚焦点——光束强度最高的点,都吸引了一个单个原子,将它们从云中完全孤立出来控制在某个地方。

「这就好像在某种毛织物上摩擦梳子带电,然后 用它来捡起一小片纸,」Vuletic 说。「这个过程类似于被吸引到光场(light field)中高强度区域的原子。」科学家使用电荷耦合器件相机捕获的原子虽然被囚禁住了,但它们还能发光。通过查看它们的图像,研究者可以辨别出哪些激光束或者「光钳」控制住了原子,哪些没有。然后,他们可以改变每个激光束的无线电频率来「关掉」无原子的光束,重新排列那些带有原子的光束,该研究小组最终创建了 50 个原子的阵列,这些原子被囚禁在某个地方的时间长达几秒。

「现在的问题依然是这次你能执行多少次量子运算?」Vuletic 说。「通常中性原子的时间刻度(timescale)大约是 10 微妙,所以你可以在一秒内做 10 万次运算,我认为这是一个很好的结果了。」

现在,该研究团队仍在他们是否能够促使中性原子作为量子门——两个量子比特之间的最基本的信息处理。虽然有其他研究者在量子中性原子之间展示了这一过程,但他们还无法在大量原子的系统中保留量子门。如果 Vuletic 和他的同事能成功地在他们的 50 个原子的系统中诱导出量子门,他们就会在实现量子计算的道路上迈出意义重大的一步。

「对于除量子计算外的其他实验,比如用具有预定数量的原子模拟凝聚态物理。用我们的技术就可以实现,」Vuletic 说这让他非常兴奋。

理论
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