導(dǎo)讀：連貫地在固態(tài)系統(tǒng)中對(duì)原子缺陷的量子態(tài)進(jìn)行操縱的能力是發(fā)展 量子技術(shù)平臺(tái)的最有前景的途徑。一個(gè)成功的平臺(tái)需要許多具有相似性的許多量子比特進(jìn)行相互作用，同時(shí)要求具備對(duì)每個(gè)比特進(jìn)行地址追尋的能力。并且，直到今天，滿足這一要求的手段可謂背道而馳 。Chen等人設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)頻域法 為主導(dǎo)的辦法，基于此辦法可以同時(shí)對(duì)許多單個(gè)的稀土離子缺陷進(jìn)行追蹤，并且均在控制光的衍射極限的分離范圍內(nèi)。因?yàn)檫@一辦法具有可以稱量10倍或成百倍數(shù)的缺陷的能力，這一辦法提供了實(shí)現(xiàn)真實(shí)的大規(guī)模量子處理的能力。
普林斯頓大學(xué)發(fā)展的測量和控制量子旋轉(zhuǎn)的辦法進(jìn)行藝術(shù)渲染后的照片
當(dāng)原子相互靠近的非常近（極端近）的時(shí)候，他們之間就會(huì)發(fā)生有趣的互動(dòng) ，這可以用來制造出新一代的計(jì)算機(jī)和其他技術(shù)。這些相互作用在量子物理的真實(shí)王國中的研究被證明是在實(shí)驗(yàn)研究中非常難以開展相應(yīng)研究的，這是因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡技術(shù)的限制。
但這一困境被來自美國普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)攻克了，Jeff Thompson，系普林斯頓大學(xué)電子工程系的助理教授，發(fā)展了一個(gè)新的控制和測量原子的辦法，可以實(shí)現(xiàn)非常近距離的清晰的觀察原子并區(qū)分他們，卻不需要采用光學(xué)透鏡來觀察。
這一新辦法發(fā)表在10月30日出版的頂刊雜志《Science》上，他們的辦法是采用一個(gè)精細(xì)調(diào)制在納米尺度光電路范圍內(nèi)的激光來激發(fā)晶體中的密排鉺原子，使得研究人員可以解決和控制多個(gè)原子，而不需要依靠他們的空間數(shù)據(jù)。
在使用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察的時(shí)候，兩個(gè)原子之間的空間會(huì)在他們之間的分離開的距離低于一定的稱之衍射極限的距離時(shí)就會(huì)發(fā)生有效的消失，這一距離粗略的等于光的波長。這一現(xiàn)象同遙遠(yuǎn)的兩顆星星在星空中好似一個(gè)光點(diǎn)一樣。然而，這也是原子開始相互最用和逐漸富集和使得量子機(jī)械行為讓人們感興趣的原因。
來自加州理工學(xué)院的物理學(xué)家Andrei Faraon，是從事該項(xiàng)目研究的一個(gè)教授，說到：我們經(jīng)常在尋思，在最基本的層面上，在固體中，在晶體內(nèi)，原子到底是如何進(jìn)行行為的。他們又是如何進(jìn)行相互作用的，這次發(fā)表在《Science》中的這篇論文為撥云見霧的清晰的研究原子打開了一扇窗戶。
研究原子及其他們?cè)谖⑿〉拈g距中的相互作用，使得科學(xué)家可以測量和控制量子的性質(zhì)，這就是眾所周知的旋轉(zhuǎn)。作為一種形式上的動(dòng)量，旋轉(zhuǎn)通常被描述成要么升起要么下降的（或者同時(shí)進(jìn)行，如果同時(shí)進(jìn)行的話則是另外一種狀態(tài)）。當(dāng)兩個(gè)原子之間的距離逐漸消失，幾乎不存在的時(shí)候，大約只有十億分之一米的時(shí)候，一個(gè)原子的旋轉(zhuǎn)就會(huì)對(duì)另外一個(gè)原子的旋轉(zhuǎn)施加影響，同時(shí)，反之亦然，另外一個(gè)原子也會(huì)對(duì)這個(gè)原子施加影響。當(dāng)原子的自旋在這一真實(shí)王國中相互作用的時(shí)候，他們就會(huì)發(fā)生糾纏，科學(xué)家們就將這描述為兩個(gè)或者多個(gè)粒子，這些粒子相互之間就會(huì)產(chǎn)生千絲萬縷 的關(guān)系。糾纏的粒子的行為相互分享并相互共存，不管距離有多遠(yuǎn)，他們的作用最終會(huì)發(fā)生。糾纏是量子力學(xué)區(qū)分于經(jīng)典世界的最為重要的現(xiàn)象，并且是量子技術(shù)能夠得到應(yīng)用的中心所在。這一來自普林斯頓大學(xué)的研究辦法為科學(xué)家研究原子的旋轉(zhuǎn)的相互作用 進(jìn)入史無前例的清晰的境地開辟了新的途徑。
普林斯頓大學(xué)研究的這一辦法的一個(gè)最重要的特征就是使得同時(shí)追蹤成百上千個(gè)原子成為可能，這為量子的實(shí)驗(yàn)研究提供了豐富的信息，獲得了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這對(duì)物理學(xué)家來說是一個(gè)好消息，使得物理學(xué)家期望解密原子的神秘性成為可能，這些 神秘性包括糾纏的詭異本質(zhì)。
這一需求并非只有內(nèi)行才懂的。在過去的幾十年里，工程人員一直在探求量子現(xiàn)象以求能夠制造出復(fù)雜的用于信息處理和通訊的復(fù)雜技術(shù)，包括從新興量子計(jì)算機(jī) 的邏輯構(gòu)建塊，可以解決不可能的問題，到 超安全通信方法 可以連接機(jī)器到不可鎖定量子互聯(lián)網(wǎng)。為了進(jìn)一步的發(fā)展這些系統(tǒng)，科學(xué)家則需要可靠的量子糾纏和探究其糾纏同解碼和過程信息之間的關(guān)系。
Thompson的研究團(tuán)隊(duì)在鉺中看到了這一機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)上用于激光和磁鐵中，鉺并沒有被廣泛的開發(fā)用于量子系統(tǒng)中，依據(jù)研究人員的研究結(jié)果，這是因?yàn)楸容^難以觀察的緣故。這一研究團(tuán)隊(duì)在2018年取得了突破，發(fā)展了一個(gè)通過鉺原子來發(fā)射光的辦法，并且探測到極端有效的信號(hào)?，F(xiàn)在，他們?cè)谶@一方面取得了很多的成果。
當(dāng)激光照射原子的時(shí)候，它會(huì)激發(fā)他們，能量足夠使得他們以一個(gè)獨(dú)特的頻率發(fā)射出微弱的光，但這一微弱的光的能量足夠保持和識(shí)別出原子的旋轉(zhuǎn)。這些頻率的變化依據(jù)原子的不同狀態(tài)來說，甚至是如此巧妙的。因此升起是一種頻率，下降是另外一種頻率，并且每一個(gè)單獨(dú)的原子具有自己的一對(duì)頻率。
如果你有全套的量子位元，他們將會(huì)發(fā)射出顯著不同頻率的光。并且可以調(diào)制激光的頻率，可以追蹤他們，盡管我們不能在空間上解決他們。Thompson 說到，每一原子可以看到光，但只能聽到他們所調(diào)制的頻率。
光的頻率對(duì)于旋轉(zhuǎn)來說是一個(gè)完美的代理。轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)的升降使得研究人員可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。這同經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的晶體管的開和關(guān)相似。從而使得我們的世界進(jìn)入到數(shù)字時(shí)代。
為了實(shí)現(xiàn)有用的量子處理器應(yīng)用，這些量子位元的研究還需要進(jìn)一步的研究。
相互作用的強(qiáng)度同兩個(gè)原子的距離相關(guān)，Songtao Chen說到，他是Thompson實(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員和論文的作者，我們將原子靠的非常近，以使我們可以讓其進(jìn)行相互作用，并且使用這一相互作用來制造出量子邏輯門。
一個(gè)量子邏輯門需要兩個(gè)或者更多的糾纏的量子位元，使得它可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的量子運(yùn)算，如計(jì)算蛋白質(zhì)的折疊圖案或者量子網(wǎng)絡(luò)的路由信息。
Thompson，是項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者，并且獲得美國能源部的115M美元的量子科學(xué)倡議的資助，這一項(xiàng)目的任務(wù)是將量子位元編程應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)。同量子先進(jìn)設(shè)計(jì)協(xié)同中心合作開展材料研究，他領(lǐng)導(dǎo)著開展亞量子元進(jìn)行計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。
他的鉺系統(tǒng)，是一個(gè)新的量子元，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有獨(dú)特的作用，可以用在現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中、在硅器件和光纖中以解碼光的形式發(fā)送信號(hào)。這兩個(gè)性質(zhì)使得鉺成為現(xiàn)代工業(yè)中最為先進(jìn)的固態(tài)量子元，它通過可見光波長傳輸信息，但在光纖通訊網(wǎng)絡(luò)中并不能很好的工作。
仍然，在可以操作運(yùn)行的層面，鉺系統(tǒng)將在工程層面上進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)可以控制和測量它的量子元的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的時(shí)候，不管他們的距離如何，和使用光學(xué)結(jié)構(gòu)來制造高可信度的測量，他們不能排列量子元按照兩個(gè)量子元的門來進(jìn)行排列。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，工程人員將會(huì)找到不同的材料來作為鉺原子的宿主。
這一辦法的最主要的優(yōu)點(diǎn)就是我們進(jìn)行的這一實(shí)驗(yàn)同鉺所在的宿主沒有任何關(guān)系，Mouktik Raha說到，他是一個(gè)6年級(jí)的電子工程系的研究生，同時(shí)是論文的作者。只要你能夠晶鉺放入系統(tǒng)中，它就不會(huì)在周圍振動(dòng)，你就可以開展工作了。
文章來源：Songtao Chen et al, Parallel single-shot measurement and coherent control of solid-state spins below the diffraction limit, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abc7821和Princeton University
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