Science：利用激光使得科学家可以清楚地看透量子的神奇性

江苏激光联盟导读：连贯地在固态系统中对原子缺陷的量子态进行操纵的能力是发展 量子技术平台的最有前景的途径。一个成功的平台需要许多具有相似性的许多量子比特进行相互作用，同时要求具备对每个比特进行地址追寻的能力。并且，直到今天，满足这一要求的手段可谓背道而驰 。Chen等人设计了一个光学频域法
为主导的办法，基于此办法可以同时对许多单个的稀土离子缺陷进行追踪，并且均在控制光的衍射极限的分离范围内。因为这一办法具有可以称量10倍或成百倍数的缺陷的能力，这一办法提供了实现真实的大规模量子处理的能力。

普林斯顿大学发展的测量和控制量子旋转的办法进行艺术渲染后的照片

当原子相互靠近的非常近（极端近）的时候，他们之间就会发生有趣的互动 ，这可以用来制造出新一代的计算机和其他技术。这些相互作用在量子物理的真实王国中的研究被证明是在实验研究中非常难以开展相应研究的，这是因为光学显微镜技术的限制。

但这一困境被来自美国普林斯顿大学的研究团队攻克了，Jeff Thompson，系普林斯顿大学电子工程系的助理教授，发展了一个新的控制和测量原子的办法，可以实现非常近距离的清晰的观察原子并区分他们，却不需要采用光学透镜来观察。

这一新办法发表在10月30日出版的顶刊杂志《Science》上，他们的办法是采用一个精细调制在纳米尺度光电路范围内的激光来激发晶体中的密排铒原子，使得研究人员可以解决和控制多个原子，而不需要依靠他们的空间数据。

在使用传统的光学显微镜进行观察的时候，两个原子之间的空间会在他们之间的分离开的距离低于一定的称之衍射极限的距离时就会发生有效的消失，这一距离粗略的等于光的波长。这一现象同遥远的两颗星星在星空中好似一个光点一样。然而，这也是原子开始相互最用和逐渐富集和使得量子机械行为让人们感兴趣的原因。

来自加州理工学院的物理学家Andrei Faraon，是从事该项目研究的一个教授，说到：我们经常在寻思，在最基本的层面上，在固体中，在晶体内，原子到底是如何进行行为的。他们又是如何进行相互作用的，这次发表在《Science》中的这篇论文为拨云见雾的清晰的研究原子打开了一扇窗户。

研究原子及其他们在微小的间距中的相互作用，使得科学家可以测量和控制量子的性质，这就是众所周知的旋转。作为一种形式上的动量，旋转通常被描述成要么升起要么下降的（或者同时进行，如果同时进行的话则是另外一种状态）。当两个原子之间的距离逐渐消失，几乎不存在的时候，大约只有十亿分之一米的时候，一个原子的旋转就会对另外一个原子的旋转施加影响，同时，反之亦然，另外一个原子也会对这个原子施加影响。当原子的自旋在这一真实王国中相互作用的时候，他们就会发生纠缠，科学家们就将这描述为两个或者多个粒子，这些粒子相互之间就会产生千丝万缕
的关系。纠缠的粒子的行为相互分享并相互共存，不管距离有多远，他们的作用最终会发生。纠缠是量子力学区分于经典世界的最为重要的现象，并且是量子技术能够得到应用的中心所在。这一来自普林斯顿大学的研究办法为科学家研究原子的旋转的相互作用 进入史无前例的清晰的境地开辟了新的途径。

普林斯顿大学研究的这一办法的一个最重要的特征就是使得同时追踪成百上千个原子成为可能，这为量子的实验研究提供了丰富的信息，获得了经验数据。这对物理学家来说是一个好消息，使得物理学家期望解密原子的神秘性成为可能，这些 神秘性包括纠缠的诡异本质。

这一需求并非只有内行才懂的。在过去的几十年里，工程人员一直在探求量子现象以求能够制造出复杂的用于信息处理和通讯的复杂技术，包括从新兴量子计算机 的逻辑构建块，可以解决不可能的问题，到 超安全通信方法 可以连接机器到不可锁定量子互联网。为了进一步的发展这些系统，科学家则需要可靠的量子纠缠和探究其纠缠同解码和过程信息之间的关系。

Thompson的研究团队在铒中看到了这一机会。传统上用于激光和磁铁中，铒并没有被广泛的开发用于量子系统中，依据研究人员的研究结果，这是因为比较难以观察的缘故。这一研究团队在2018年取得了突破，发展了一个通过铒原子来发射光的办法，并且探测到极端有效的信号。现在，他们在这一方面取得了很多的成果。

当激光照射原子的时候，它会激发他们，能量足够使得他们以一个独特的频率发射出微弱的光，但这一微弱的光的能量足够保持和识别出原子的旋转。这些频率的变化依据原子的不同状态来说，甚至是如此巧妙的。因此升起是一种频率，下降是另外一种频率，并且每一个单独的原子具有自己的一对频率。

如果你有全套的量子位元，他们将会发射出显著不同频率的光。并且可以调制激光的频率，可以追踪他们，尽管我们不能在空间上解决他们。Thompson 说到，每一原子可以看到光，但只能听到他们所调制的频率。

光的频率对于旋转来说是一个完美的代理。转换旋转的升降使得研究人员可以对其进行计算。这同经典计算机中的晶体管的开和关相似。从而使得我们的世界进入到数字时代。

为了实现有用的量子处理器应用，这些量子位元的研究还需要进一步的研究。

相互作用的强度同两个原子的距离相关，Songtao Chen说到，他是Thompson实验室的博士后研究人员和论文的作者，我们将原子靠的非常近，以使我们可以让其进行相互作用，并且使用这一相互作用来制造出量子逻辑门。

一个量子逻辑门需要两个或者更多的纠缠的量子位元，使得它可以实现独特的量子运算，如计算蛋白质的折叠图案或者量子网络的路由信息。

Thompson，是项目的领导者，并且获得美国能源部的115M美元的量子科学倡议的资助，这一项目的任务是将量子位元编程应用的现实。同量子先进设计协同中心合作开展材料研究，他领导着开展亚量子元进行计算和网络中的应用。

他的铒系统，是一个新的量子元，在网络应用中具有独特的作用，可以用在现有的电信基础结构中、在硅器件和光纤中以解码光的形式发送信号。这两个性质使得铒成为现代工业中最为先进的固态量子元，它通过可见光波长传输信息，但在光纤通讯网络中并不能很好的工作。

仍然，在可以操作运行的层面，铒系统将在工程层面上进行进一步的研究。

当研究团队可以控制和测量它的量子元的旋转状态的时候，不管他们的距离如何，和使用光学结构来制造高可信度的测量，他们不能排列量子元按照两个量子元的门来进行排列。为了实现这一点，工程人员将会找到不同的材料来作为铒原子的宿主。

这一办法的最主要的优点就是我们进行的这一实验同铒所在的宿主没有任何关系，Mouktik Raha说到，他是一个6年级的电子工程系的研究生，同时是论文的作者。只要你能够晶铒放入系统中，它就不会在周围振动，你就可以开展工作了。

文章来源：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