物理学家利用光镊“抛接”原子，有望实现动态量子计算

每个小朋友都喜欢玩球。现如今，物理学家可以像玩球一样抛出并接住单个原子——不是用手和胳膊，而是用光镊。

图1 科学家们使用两个光学陷阱来投掷和捕捉单个原子。原子在不同光阱之间运动的艺术效果图。（图片来源：KAIST）

韩国和日本研究团队展示了自由原子如何可能实现动态量子计算，这将依赖原子的重新排列组合。

引导与捕获

在此之前，该团队利用光镊阵引导冷中性原子沿着目标路径运动。然而，当这些阵列拥挤时，原子极易偏离目标路径。因此，物理学家设想这些冷原子作为量子计算机的信息载体，使其在阵列中点与点之间传输。

韩国科学技术院（以下简称KAIST） Jaewook Ahn 领导的团队展示了原子直接被扔到其它光阱上。由于光镊中的粒子运动方程式比较成熟，该团队可以计算出将粒子推出光阱所需的加速度，以及在另一个光阱中捕获粒子所需的减加速度。在自由运动过程中，产生光镊的激光将被关闭，然后重新打开以减缓飞行粒子的速度，减缓时间至关重要。

从理论到实验

在研究出“抛”和“接”的理论基础之后，该团队将Rb -87原子冷却到40μK，并使用820nm 波长的激光创造了光镊。根据 Ahn 教授称，Rb -87是纳米操纵研究最多的原子之一，因此它的性质是相对可预测的。

在实验过程中，一个声光调制器和任意波形发生器控制投掷和接球的动态光镊，而一个二维空间光调制器驱动静态光镊。每个光阱宽度为0.73 μm，自由飞行距离为4.2 μm，这是实验装置所能容纳的最大距离。

经过反复练习，Jaewook Ahn团队最终成功捕捉到了87% 的铷原子。尽管实验一开始进行得并不顺利，Ahn教授称：“令我们完全惊讶的是，它(最终)相对容易地奏效了。”此外，该团队还进行了将原子抛过两个动态陷阱之间的静态光学陷阱实验。

[1] Hansub Hwang, Andrew Byun, Juyoung Park, Sylvain de Léséleuc, and Jaewook Ahn, "Optical tweezers throw and catch single atoms," Optica 10, 401-406 (2023);

新闻链接：

https://www.optica-opn.org/home/newsroom/2023/march/playing_catch_with_optical_tweezers/