一种控制和测量原子的新方法

在今天的《科学》杂志上，发表有普林斯顿大学的一个研究团队的研究论文，开发出了一种控制和测量原子的新方法，可以更进一步地了解量子世界的怪异。

这些原子是如此靠近，而光学透镜无法区分它们。如图所示普林斯顿大学开发的一种测量和控制量子自旋的方法。

当原子变得非常接近时，它们就会发展出有趣的相互作用，可以利用这些相互作用来创建新一代的计算和其他技术。由于光学显微镜的基本局限性，已证明很难在实验上研究量子物理学领域的这些相互作用。

他们的方法是在纳米级光学电路中，使用微调激光器来激发晶体中间隔很近的原子。研究人员利用了每个原子对激光的频率或颜色稍有不同的响应这一事实，使研究人员无需依赖其空间信息即可解析和控制多个原子。

在传统的显微镜中，当两个原子之间的间隔小于一个称为衍射极限的关键距离（该距离大致等于光的波长）以下时，它们之间的空间就会有效消失。这类似于两个遥远的恒星在夜空中出现为单个光点。但是，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。

科学家们一直想知道，在最基本的层面上，在固体内部、在晶体内部等，原子实际上是在做什么？它们如何相互作用？该研究打开了研究非常非常接近的原子的窗口。

在很小的距离上研究原子及其相互作用，使科学家能够探索和控制称为自旋的量子性质。作为一种动量形式，旋转通常被描述为向上或向下。但当两个原子之间的距离逐渐缩小时（仅十亿分之一米），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，这是科学家用来形容两个或多个不可分割地联系在一起的粒子的术语。

纠缠的粒子的行为就像它们共享一个存在，无论它们后来相距多远。纠缠是将量子力学与经典世界区分开来的必不可少的现象，它是量子技术愿景的核心。普林斯顿大学这一新的装置使科学家以前所未有的清晰度研究这些自旋相互作用。

新型装置的一个重要特征是其具有一次处理数百个原子的潜力，提供了一个收集经验数据的丰富量子实验室。对于希望释放现实的最深奥秘的物理学家来说，这是一个福音。

在过去的三十年中，一直试图利用量子现象来创建用于信息处理和通信的复杂技术，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，到可以连接到计算机的超安全通信方法、不可入侵的量子互联网。为了进一步开发这些系统，科学家将需要可靠的纠缠粒子，并利用它们的纠缠来编码和处理信息。

研究人员称，传统上将铒用于激光和磁体中，由于其难以观察，因此并未广泛用于量子系统中。该团队在2018年取得了突破，开发了一种增强这些原子发出的光并极其有效地检测该信号的方法。现在他们已经证明他们可以全部做到。

当激光照亮原子时，它激发的强度足以使它们以独特的频率发出微弱的光，但足以保留并读出原子的自旋。这些频率根据原子的不同状态微妙地变化，因此“上”具有一个频率，“下”具有另一个频率，每个原子都有自己的一对频率。

研究人员说，“如果有这些量子位的集合，它们都以非常微小的频率发射光。因此，即使我们没有能力将激光器小心地调谐到一个或另一个的频率，我们也可以解决它们。在空间上解决它们，” “每个原子都能看到所有的光，但是它们只收听被调谐到的频率。”

这样，光的频率就可以很好地代表旋转。上下切换自旋可以为研究人员提供一种进行计算的方法。它类似于经典计算机中打开或关闭的晶体管，从而产生了数字世界中的0和1。

论文第一作者、实验室博士后研究员、陈松涛（Songtao Chen）说：“相互作用的强度与两次旋转之间的距离有关。” “我们希望使它们靠近，以便我们可以进行这种相互的作用，并使用这种相互作用来创建量子逻辑门。”