聚焦量子運算科技|俄羅斯成功捕捉單原子并拍照

2020-08-10 09:03:22來源：科技部關鍵詞：量子電子量子網(wǎng)絡閱讀量：23766

導讀：采用光學阱對單原子進行約束，這是創(chuàng)建一個量子位數(shù)組并進行量子計算的第一步，量子位數(shù)組含有大量的原子，而每一原子約束于“自己”的光學鑷子上，由此，不僅需要捕捉原子，而且還需要對其準確記錄。

　　來自俄科學院西伯利亞分院網(wǎng)站的報道，該分院半導體物理所與國立新西伯利亞大學、國立新西伯利亞技術大學的聯(lián)合科研團隊采用光鑷子成功捕捉銣元素單原子并約束40秒，并采用長焦鏡頭相機對約束原子進行了拍照。所獲階段性研究成果在量子計算機研發(fā)領域具有重要的意義，相關成果發(fā)布在學術期刊“量子電子”上。

　　科研團隊將此項研究分為若干個子課題。首先，需要將原子進行冷卻并降低速度。科研人員采用激光束通過原子對光子的吸收實施了原子的減速；其次，需要采用激光束所形成的約束阱對單個原子進行捕捉，此時的激光聚焦高度清晰，僅為幾微米，這是原子被約束在激光點的激光特征值；之后，為獲得單個原子的照片，需要在百毫秒的短時間內(nèi)“紀錄”下約束阱中原子散射的紅外光子。實驗條件要求在非常短的時間內(nèi)獲得受約束原子的照片，只有這樣的原子才能作為量子比特使用。

　　研究過程中，科研人員首先嘗試將光學鑷子鏡頭盡量遠離冷原子云，以消除原子與鏡頭玻璃的相互作用，而這種做法對下一步的二量子位量子運算會產(chǎn)生不利的影響，之后又采用長焦鏡頭使其遠離原子，但由于單原子亮度本身很低，進入鏡頭的光子更少，這使得紀錄原子發(fā)出的光子就變得更難，因此所有研究結果指向于將光子聚焦于相機的單像素上，在此情形下的研究發(fā)現(xiàn)，由于激光鑷子總是試圖使原子擺脫背光共振，在相機本底噪音下無法得到單原子的影像。為消除上述問題，科研人員短暫(不超過百萬分之一秒)關閉約束阱，在保證單原子來不及逃逸的情況下，通過數(shù)千個周期重復開關積累信號能量，由此首次采用長焦鏡頭和sCMOS像機獲得了單原子的影像照片。國外此類研究往往采用高靈敏度電子倍增EMCCD像機，而科研團隊采用其上一代產(chǎn)品sCMOS像機卻獲得了理想的結果：采用少的曝光時間(50毫秒)獲得了單原子清晰的照片，并且后期試驗的原子約束長時間達到了40秒。

　　科研團隊下一步的工作是完成高精度單量子位量子運算并過渡到二量子位量子運算，通俗的說，即通過改變并控制原子的電子狀態(tài), 采用冷原子進行量子計算機邏輯元素的“準備”。此項研究得到了俄羅斯科學基金和前景研究基金的支持。

　　采用光學阱對單原子進行約束，這是創(chuàng)建一個量子位數(shù)組并進行量子計算的第一步，量子位數(shù)組含有大量的原子，而每一原子約束于“自己”的光學鑷子上，由此，不僅需要捕捉原子，而且還需要對其準確記錄。冷原子的電子狀態(tài)可保持數(shù)秒，這對于完成量子計算已經(jīng)足夠了，所以此類原子可作為量子比特。從事單冷原子研究的課題組不超過20個，而在俄羅斯僅有2個課題組，除了西伯利亞的課題組外，另一個在莫大。

　　(原標題：俄羅斯成功捕捉單原子并拍照)

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