NIST物理學(xué)家找到一種控制帶電分子的方法-使用量子邏輯

標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)物理學(xué)家解決了如何控制單個(gè)帶電分子或分子離子的量子特性這一看似棘手的難題。關(guān)鍵：使用相同類(lèi)型的“量子邏輯”操作，用于在未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算。

這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，控制分子與激光冷卻一樣有效，其他技術(shù)可以控制原子。原子的量子控制徹底改變了原子物理學(xué)，導(dǎo)致了原子鐘等應(yīng)用。但激光冷卻和控制分子極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儽仍訌?fù)雜得多。

NIST技術(shù)仍然使用激光，但只能輕輕探測(cè)分子; 它的量子態(tài)是間接檢測(cè)的。這種對(duì)分子離子的控制 - 幾個(gè)原子結(jié)合在一起并攜帶電荷 - 可以導(dǎo)致更復(fù)雜的量子信息處理架構(gòu)，放大基礎(chǔ)物理研究中的信號(hào)，如測(cè)量電子形狀的“圓度”，以及增強(qiáng)控制化學(xué)反應(yīng)

這項(xiàng)研究在5月11日出版的“ 自然”雜志(鏈接是外部的)中進(jìn)行了描述，并由NIST Boulder小組進(jìn)行，該小組展示了1978年第一次激光冷卻原子離子。

“我們開(kāi)發(fā)的方法適用于許多類(lèi)型的分子，”NIST物理學(xué)家James Chin-wen Chou說(shuō)。“無(wú)論你使用原子離子可以玩什么技巧，現(xiàn)在都可以使用分子離子。現(xiàn)在分子會(huì)“傾聽(tīng)”你 - 實(shí)際上，問(wèn)“你想讓我做什么?”

“這與科學(xué)家們首次激光冷卻和捕獲原子，將閘門(mén)打開(kāi)，應(yīng)用于精密計(jì)量和信息處理的應(yīng)用相當(dāng)。用分子實(shí)現(xiàn)所有這些事情是我們的夢(mèng)想，“Chou補(bǔ)充道。

與原子相比，分子更難控制，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼜?fù)雜的結(jié)構(gòu)，涉及許多電子能級(jí)，振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。分子可以由許多不同數(shù)量和原子組合組成，并且與超過(guò)一米長(zhǎng)的DNA鏈一樣大。

NIST方法通過(guò)將信息轉(zhuǎn)移到原子離子來(lái)找到分子離子的量子態(tài)(電子，振動(dòng)和旋轉(zhuǎn))，原子離子可以用先前已知的技術(shù)進(jìn)行激光冷卻和控制。借用NIST量子邏輯時(shí)鐘的想法，研究人員試圖操縱分子離子，如果成功，則在離子對(duì)中引發(fā)同步運(yùn)動(dòng)。選擇操作使得它只能在分子處于某種狀態(tài)時(shí)觸發(fā)運(yùn)動(dòng)。“是”或“否”答案由原子離子發(fā)出信號(hào)。該技術(shù)非常溫和，表明分子的量子態(tài)而不會(huì)破壞它們。

“如果它處于正確狀態(tài)，分子只會(huì)搖晃。原子感到搖晃，可以將微動(dòng)轉(zhuǎn)移到我們可以拾取的光信號(hào)中，“資深作者Dietrich Leibfried說(shuō)道。“這就像盲文，它讓人們感受到寫(xiě)的東西而不是看到它。我們感覺(jué)分子的狀態(tài)而不是看到它，原子離子是我們的微觀(guān)手指，這使我們能夠做到這一點(diǎn)。“

“此外，該方法應(yīng)適用于大量分子而不改變?cè)O(shè)置。這是NIST基本使命的一部分，用于開(kāi)發(fā)其他人可以在其工作中使用的精確測(cè)量工具，“Leibfried補(bǔ)充說(shuō)。

為了進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，NIST的研究人員清除了舊的但仍然可用的設(shè)備，包括2004年量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中使用的離子阱。他們還從同一實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的量子邏輯時(shí)鐘實(shí)驗(yàn)中借用了激光。

研究人員在室溫下的高真空室中捕獲了兩個(gè)百萬(wàn)分之一米的鈣離子。將氫氣泄漏到真空室中，直到一個(gè)鈣離子反應(yīng)形成由一個(gè)鈣離子和一個(gè)氫原子鍵合在一起的氫化鈣(CaH +)分子離子。

就像通過(guò)彈簧耦合的一對(duì)擺錘一樣，兩個(gè)離子可以發(fā)展共享運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兊奈锢斫咏院退鼈兊碾姾傻呐懦庀嗷プ饔?。研究人員使用激光冷卻原子離子，從而將分子冷卻到最低能量狀態(tài)。在室溫下，分子離子也處于其最低的電子和振動(dòng)狀態(tài)，但仍保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的混合。

研究人員隨后應(yīng)用了光調(diào)諧的紅外激光脈沖，以防止離子的電子或振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而在分子的100多種可能的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的兩種之間實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的過(guò)渡。如果發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，則在兩個(gè)離子的共享運(yùn)動(dòng)中加入一個(gè)能量子。然后，研究人員應(yīng)用額外的激光脈沖將共享運(yùn)動(dòng)的變化轉(zhuǎn)換為原子離子內(nèi)部能量水平的變化。然后原子離子開(kāi)始散射光，表明分子離子的狀態(tài)發(fā)生了變化并且處于所需的目標(biāo)狀態(tài)。

隨后，研究人員可以在激光誘導(dǎo)的過(guò)渡期間從發(fā)射和吸收的光傳遞角動(dòng)量，例如，將分子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)定向在期望的方向上。

新技術(shù)具有廣泛的可能應(yīng)用。JouA的其他NIST科學(xué)家以前曾使用激光以某種方式操縱特定帶電分子的云，但是新的NIST技術(shù)可用于以更多方式控制許多不同類(lèi)型的較大分子離子，Chou說(shuō)。

Chou說(shuō)，分子離子提供了比原子離子更多的選擇，用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換量子信息。例如，它們可以提供更多功能，用于將量子信息分發(fā)到不同類(lèi)型的硬件，例如超導(dǎo)組件。

該方法還可用于回答深層物理問(wèn)題，例如自然界的基本“常數(shù)”是否隨時(shí)間而變化。氫化鈣分子離子已被確定為回答這些問(wèn)題的候選者之一。此外，為了測(cè)量電子的電偶極矩(表示粒子電荷分布的圓度的數(shù)量)，同時(shí)精確控制數(shù)百個(gè)離子的所有方面的能力將提高科學(xué)家想要的信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)量，周說(shuō)。