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找到一把打开量子世界宝库的钥匙

2017-11-09 12:19:57 来源:镇江生活资讯网

中国科学院武汉物理与数学研究所研究员詹明生领导的团队,在国际上首次实现了两个异核原子的量子纠缠,相关研究工作发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上。最近,这一消息刊出,引起了量子科学家和业界的关注。

如何实现两个异核原子的量子纠缠?对于量子计算、量子科学的发展将起到怎样的推动作用?科技日报记者带着这些问题采访了詹明生研究团队。

很有希望的“冷原子”

人类对物质世界的认识,从地球到太空,从宏观到微观。量子力学就是描述微观物质的理论。中国科学院武汉物理与数学研究所副研究员何晓东介绍说:从简单的激光笔到手机到电脑,这些受量子力学支配的微观粒子,比如光子或者电子,可以在宏观上产生有用的效果,如激光、半导体等。

然而量子力学的威力不仅限于此,当它与计算这种操作相结合之后,将产生一种新的计算方式——量子计算。经典计算机的单元是比特,量子计算的基础是量子比特。有科学家把量子比特比作“海边一幅精美的沙画,一个浪打过就没了”。科学家们竞相寻找方法,试图将量子体系尽量和环境隔绝以延长被浪打没的时间,但要操纵它又必须要与它发生作用。如何做到完美地操纵和隔离是对实验者技术的考验。

单离子、核磁共振、光子、冷原子、固体量子点,以及最近很受工业界重视的超导电路,这些都是世界各地的科学家们正在努力实现量子比特的方向。

中国科学院武汉物理与数学研究所副研究员许鹏说:“我们选择的是极具挑战也是很有希望的‘冷原子’。”通常一个原子的直径在0.05纳米和0.5纳米之间,对于这样一种比头发丝直径还小几千几万倍的物体,甚至连世界上最精密的光学显微镜都无法直接观测,如何抓住它,又任意地操纵它呢?

十年只为“抓住”单原子

“十年来,我们一直在做这一件事情——单原子的量子操控。”许鹏说。

捕获单原子的两种方式,一是采用扫描隧道显微镜或原子力显微镜等在固体表面捕获并操纵单个原子,这样的单原子还会与表面物质有强的相互作用。另一种方法则是采用激光冷却并捕获气相中的单个原子。团队采用的是后面一种方法。

激光将原子减速冷却下来,但要想抓住单个原子,需要好几种技术的配合。首先是将原子囚禁在由特定梯度磁场与偏振激光相结合的磁光阱中。但这种磁光阱中囚禁下来的原子数目比较多,可以达到1010(和全世界人口差不多),温度在100微开左右(就比绝对零度高万分之一度)。

对于单原子研究来说,这么多原子实在是太多了,怎样才能做到“弱水三千,只取一瓢”呢?有一种很简单的方法:做一个超级小的阱,小到仅能容纳一个原子。法国科学家在2001年将一束远红失谐的激光聚焦到焦点半径小于1微米时,在焦点处就形成了一个这样的光偶极阱。

把这样一个阱放到磁光阱中后,科学家就像挖了陷阱的猎人一样等待:当有一个原子掉到光阱中时,磁光阱立刻关闭,停止向光阱中继续装原子,这样就完成了单原子的捕获。而对于不同种类单原子的捕获,詹明生研究团队则创造性地发展了一种反馈控制方法,在两个独立的光阱中确定性地囚禁了一个铷-87原子和一个异核的铷-85原子,然后用不同的激光分别对两个原子进行内态的操控,实现了对单个原子的寻址及完备操控。

如同200年前的“蒸汽火车”

量子纠缠是指两个(或多个)粒子共同组成的量子状态,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其它粒子,也被称为“量子力学非定域性”。

理论推测,不同种类粒子之间的量子纠缠应该广泛存在于各种量子复合体系之中,然而在实验上操控两个粒子并实现不同种类粒子的量子纠缠并不容易,之前只在两个离子之间做到过。

詹明生解释说,与离子不同,中性冷原子体系在模拟和理解强关联的多体相互作用、分数量子霍尔态及多自旋相互作用、量子信息比特扩展等重要问题中有独特优势。但因为原子之间的相互作用弱,操控不同种类原子间的确定性纠缠存在极大挑战。

詹明生表示,此次研究在国际上首次实现了异核原子间的量子受控非门和量子纠缠。该工作不仅展示了异核体系在寻址和抑制原子间操作串扰方面的优势,而且开启了多组份相互作用体系量子操控的大门。

量子科学家们相信“冷原子”就像一把打开量子世界宝库的钥匙,并且在宝库的深处,会隐藏着更多的钥匙和无穷无尽的宝库。詹明生告诉科技日报记者:他们的研究工作只是在这一领域迈出的一小步,就如同200年前的“蒸汽火车”,离“高铁”的诞生还有很远的距离。相信随着研究的深入,中国的量子科学家为人类量子科学的发展会作出更大的贡献。

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