研究人员设计方法来观察原子间的相互作用

普林斯顿大学的研究人员制定了一种方法来控制和测量原子。这些原子用光学镜头观察时难以区分。这项工作使研究人员能够观察原子间的相互作用和量子力学行为。这项研究对量子网络和强相互作用量子系统基本动力学的研究具有启发意义。通过研究被研究人员描述为“微小”距离的原子及其相互作用，研究人员能够观察并控制自旋，量子特性和一种被描述为上或下，或两者兼有的动量形式。当两个原子之间的距离消失殆尽时，在十亿分之一米的范围内，一个原子的自旋会影响其相邻原子的自旋，反之亦然。当原子的自旋相互作用时，它们会变得纠缠不清。

在普林斯顿大学开发的测量和控制量子自旋的方法。Rachel Davidowitz供图。

这种方法利用纳米级光路中的微调激光器，成功地激发了紧密排列在晶体中的铒原子。研究人员接着观察到了原子的荧光。当激光照亮原子时，激光会以特定的频率激发出微弱的光，但又足够精细地保存并读出原子的自旋。根据原子的不同状态，这些频率会发生微妙的变化。“上”自旋有一个频率，“下”自旋有另一个频率，每个原子都有自己的一对频率。系统中的铒原子位于一个硅酸钇晶体中，该晶体有一层硅，其图案为光子晶体腔，可放大其荧光。

普林斯顿大学电子工程助理教授Jeff Thompson对Photonics Media说："这些空腔实际上在绝缘硅晶圆的器件层中形成图案，然后使用冲压技术转移到‘硅酸钇晶体’上。整个实验是在温度约为 500 mK 的 3He 低温容器中进行的。

每个原子对激光发射频率稍有不同，这让研究人员无需依赖空间信息就能够解析和控制多个原子。研究人员开发的这种器件有望研究这些自旋的相互作用，并且有望一次处理数百个原子。“如果你有这些量子位，它们都会以不同的频率发出光。因此，通过仔细调整激光的频率到其中一个或另一个量子位的调谐频率，我们可以解决这些问题，即使我们没有能力在空间分离他们。”Thompson说，“每个原子都能看到所有的光，但它们只听它们被调谐的频率。” 因此，光的频率是自旋的合适代理。移动自旋的上下状态提供了一种计算方法，类似于经典计算机中打开或关闭的晶体管。

然而，为了建立量子处理器的基础，科学家们必须进一步提高这项技术。Thompson实验室的博士后研究员、论文的两位主要作者之一Songtao Chen说："这种相互作用的强度与两个自旋之间的距离有关。"我们希望将它们互相靠近，这样我们就会有这种相互作用，并使用这种相互作用创建量子逻辑门。尽管无论它们距离有多近，团队都能够控制和测量其量子位的自旋状态，并且使用光学结构进行精确测量，但他们还无法排列量子位以形成双量子逻辑门。为此，他们需要不同的材料来承载铒原子。

"我们完成的这个实验的主要优点之一是它与承载铒原子的宿主材料没有关系，"电子工程第六年研究生，论文的两位主要作者之一Mouktik Raha说，“只要你能在里面放铒原子并且让它不抖动，这样就可以了。”

这项研究成果发表在《Science》上(www.doi.org/10.1126/science.abc7821).