操控"量子光"的空前突破 让光子与人造原子相互作用

操控"量子光"的空前突破让光子与人造原子相互作用艺术家对光子与人造原子相互作用后如何结合的印象。资料来源：巴塞尔大学爱因斯坦在1916年提出的刺激性光发射被广泛观察到，用于大量的光子，并为激光的发明奠定了基础。通过这项研究，现在已经观察到了单光子的刺激发射。具体来说，科学家们可以测量一个光子和一对绑定的光子从一个量子点（一种人工创造的原子）散射出来的直接时间延迟。悉尼大学物理学院的SahandMahmoodian博士和这项研究的共同主要作者说："这为操纵我们可以称之为'量子光'打开了大门。这一基础科学为量子增强测量技术和光子量子计算的进步开辟了道路。"来自悉尼大学物理学院的联合主要作者SahandMahmoodian博士。资料来源：悉尼大学一个多世纪前，通过观察光与物质的相互作用，科学家们发现光不是一束粒子，也不是能量的波型--而是同时表现出这两种特性，即所谓的波粒二象性。光与物质相互作用的方式继续让科学家和人类的想象力着迷，既因为其理论上的美丽，也因为其强大的实际应用。无论是光如何穿越星际介质的广阔空间，还是激光的发展，对光的研究都是一门具有重要实际用途的科学。没有这些理论基础，几乎所有的现代技术都是不可能的。没有移动电话，没有全球通信网络，没有计算机，没有GPS，没有现代医学成像。联合第一作者巴塞尔大学纳米光子学小组的娜塔莎-托姆博士。在通信中使用光--通过光导纤维--的一个优势是，光能包，即光子不容易相互影响，这创造了近乎无失真的光速信息传输。然而，我们有时希望光能够相互作用。在这里，事情变得很棘手。例如，光被用来测量距离的微小变化，使用的仪器称为干涉仪。这些测量工具现在很普遍，无论是在先进的医学成像中，还是在对牛奶进行质量控制等重要但也许更平凡的任务中，或是以LIGO等精密仪器的形式，它在2015年首次测量了引力波。量子力学定律对此类设备的灵敏度设定了限制。这个限制是在测量的敏感程度和测量设备中的平均光子数量之间设定的。对于经典激光，这与量子光不同。联合主要作者、巴塞尔大学的娜塔莎-托姆博士说。"我们建造的设备在光子之间诱发了如此强烈的相互作用，我们能够观察到一个光子与之相互作用与两个光子之间的差异。"我们观察到，与两个光子相比，一个光子被延迟了更长的时间。有了这种真正强大的光子-光子互动，两个光子以所谓的双光子束缚状态的形式变得纠缠在一起。"像这样的量子光有一个优势，即原则上它可以用更少的光子进行更敏感的测量，具有更好的分辨率。这对于生物显微镜的应用非常重要，因为大的光强度可能会损坏样品，而且要观察的特征特别小。Mahmoodian博士说："通过证明我们可以识别和操纵光子结合状态，我们已经向利用量子光的实际用途迈出了重要的第一步。我研究的下一步是看这种方法如何被用来产生对容错量子计算有用的光态，这是由数百万美元的公司，如PsiQuantum和Xanadu追求的。"Tomm博士说："这个实验是令人惊艳的，不仅因为它验证了一个基本的效应--刺激发射--的终极极限，而且它还代表了向先进应用迈出的巨大技术一步。我们可以应用同样的原理来开发更有效的设备，给我们提供光子束缚状态。这对广泛领域的应用是非常有希望的：从生物学到先进的制造业和量子信息处理。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350677.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1350677.htm

量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米

量子模拟突破：原子间距缩小至50纳米《科学》杂志论文截图在量子力学领域，邻近性占据主导地位。原子越近，它们的相互作用就越强。为了操纵和排列原子，科学家通常先将一团原子云冷却到接近绝对零度，然后使用激光束系统将原子限制在光陷阱中。此次，研究团队首先将原子云冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高一点点，此时原子几乎处于静止状态。然后，他们用激光将冷冻粒子移动到所需位置。研究人员开发出一种技术，可以将原子排列间隔缩小至50纳米。图片来源：物理学家组织网研究人员使用了两束具有不同频率（颜色）和偏振角度的激光。当两束光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光的偏振方向调整自旋方向，使光束产生两组相同原子，但是自旋相反。每束激光形成一个驻波，即电场强度在空间上呈周期性变化的图案，其空间周期为500纳米。由于它们的偏振不同，每个驻波都会吸引和聚集两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光可重叠和调谐，使得它们各自的峰值之间距离只有50纳米，这意味着每个激光峰值所吸引的原子将以同样的50纳米隔开。实验中所用原子为镝，镝是自然界最具磁性的原子之一。研究团队用这种新方法操纵两层镝原子，并将两层之间的距离精确地定位为50纳米。在这种极近距离下，磁相互作用比两层之间相隔500纳米的情况强1000倍。研究团队发现，因原子接近而增强的磁力会导致“热化”，即热量从一层传递到另一层，以及各层之间的同步振荡。当层之间的距离拉大，这些效应就会逐渐减弱。研究人员表示，新技术还可用其他原子来研究量子现象。他们计划用该技术来操纵原子，使其形成一个纯磁性量子门，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429745.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429745.htm

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度

麻省理工学院研究人员实现前所未有的原子接近度麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子（用箭头表示的球体）排列得比以前更紧密，最小可达50纳米。该研究小组计划利用这种方法将原子操纵到可以产生第一个纯磁性量子门的配置中--这是新型量子计算机的关键构件。在这张图片中，磁相互作用由彩色线条表示。图片来源：研究人员提供；麻省理工学院新闻他们通常的做法是将原子冷却到静止状态，然后用激光将粒子排列到相距500纳米的位置--这个限制是由光波长决定的。现在，麻省理工学院的物理学家们开发出了一种技术，可以将原子排列得更近，最小仅为50纳米。一个红血球的宽度约为1000纳米。物理学家在镝实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们利用新方法操纵了两层镝原子，并将两层原子精确定位在50纳米之间。在这种极端接近的情况下，磁相互作用的强度是相隔500纳米的两层原子的1000倍。不同颜色的激光用于冷却和捕获镝原子。图片来源：研究人员提供更重要的是，科学家们能够测量原子接近所产生的两种新效应。它们增强的磁力导致了"热化"，即热量从一层传递到另一层，以及层间的同步振荡。当原子层之间的距离越远，这些效应就越弱。麻省理工学院约翰-麦克阿瑟物理学教授沃尔夫冈-凯特尔（WolfgangKetterle）说："我们已经把原子的间距从500纳米提高到50纳米，可以利用这一点做很多事情。在50纳米处，原子的行为有了很大的不同，我们正在进入一个新的领域。"凯特尔和他的同事说，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该研究小组计划利用这种技术将原子操纵成可以产生第一个纯磁性量子门的构型--这是新型量子计算机的关键构件。研究小组于5月2日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。该研究的共同作者包括第一作者、物理系研究生杜力，以及皮埃尔-巴拉尔、迈克尔-坎塔拉、朱利叶斯-德-洪德和卢宇坤--他们都是麻省理工学院-哈佛超冷原子中心、物理系和电子研究实验室的成员。研究人员调整激光系统的控制电子装置。图片来源：研究人员提供为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子集中到一个光学陷阱中。激光是一种具有特定波长（电场最大值之间的距离）和频率的电磁波。波长将光所能形成的最小图案限制在500纳米，即所谓的光学分辨率极限。由于原子会被特定频率的激光吸引，因此原子会被定位在激光强度的峰值点上。因此，现有技术对原子粒子的定位距离有限，无法用于探索更短距离内发生的现象。凯特尔解释说："传统技术止步于500纳米，受限的不是原子，而是光的波长。我们现在发现了一种新的光技巧，可以突破这一限制。"该团队的新方法与当前的技术一样，首先冷却原子云--在这种情况下，冷却到大约1微开尔文，仅比绝对零度高出一线--此时，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的构型中。然后，杜和他的合作者使用了两束激光，每束激光都有不同的频率（即颜色）和圆偏振（即激光电场的方向）。当这两束激光穿过超冷原子云时，原子会沿着两束激光中任何一束的偏振，向相反的方向自旋。结果，两束激光产生了两组相同的原子，只是自旋方向相反。每束激光都形成了一个驻波，即空间周期为500纳米的电场强度周期性模式。由于它们的偏振不同，每个驻波都能根据原子的自旋吸引和俘获两组原子中的一组。激光可以叠加和调整，使其各自峰值之间的距离小到50纳米，这意味着被引力吸引到各自激光峰值的原子将被同样的50纳米分开。但要做到这一点，激光器必须非常稳定，不受任何外部噪音的影响，例如实验中的震动甚至呼吸声。研究小组意识到，他们可以通过一根光纤来引导这两束激光，从而使它们保持稳定。杜力说："通过光纤发送两束激光的想法意味着整台机器可能会剧烈晃动，但两束激光彼此保持绝对稳定。"作为对新技术的首次测试，研究小组使用了镝原子--一种稀土金属，它是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超低温条件下。然而，在原子尺度上，该元素的磁相互作用在500纳米的距离上也相对较弱。就像普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力会随着距离的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能将镝原子间隔到50纳米的距离，就可能观察到磁性原子之间原本微弱的相互作用。坎塔拉说："我们可能会突然产生磁相互作用，这种作用过去几乎可以忽略不计，但现在却非常强大。"研究小组将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷处理，然后通过两束激光将原子分成两个自旋组或自旋层。他们发现，两层镝原子确实向各自的激光峰引力，这实际上将原子层分开了50纳米--这是任何超冷原子实验所能达到的最近距离。在这种极度接近的情况下，原子的自然磁性相互作用得到了显著增强，比相距500纳米的原子强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用产生了两种新的量子现象：集体振荡，即一层的振动导致另一层同步振动；热化，即一层纯粹通过原子的磁波动将热量传递给另一层。杜指出："到目前为止，只有当原子处于同一物理空间并发生碰撞时，它们之间才能交换热量。现在，我们看到了被真空隔开的原子层，它们通过波动的磁场交换热量。"该团队的研究成果引入了一种新技术，可用于将多种类型的原子靠近放置。他们还表明，原子放置得足够近时，会表现出有趣的量子现象，可以利用这些现象来制造新的量子材料，并有可能制造出用于量子计算机的磁驱动原子系统。坎塔拉说："我们将超分辨率方法带入了这一领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。可能有许多变体，我们正在研究这些变体"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1430651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1430651.htm

MIT工程师发现控制原子核为 "量子比特"的新方法

MIT工程师发现控制原子核为"量子比特"的新方法今天最大的量子计算机只配备了几百个"量子比特"，即数字比特的量子等价物。图中说明了两束波长稍有不同的激光束可以影响原子核周围的电场，以一种推动该电场的方式，将原子核的自旋推向一个特定的方向，如箭头所示。现在，麻省理工学院的研究人员提出了一种新的方法来制造量子比特并控制它们读写数据。这种方法在现阶段是理论性的，它基于测量和控制原子核的自旋，使用来自两个颜色略有不同的激光器的光束。麻省理工学院博士生HaoweiXu、教授JuLi和PaolaCappellaro以及其他四人在《物理评论X》杂志上发表的一篇论文中描述了这些发现。长期以来，核自旋被认为是基于量子的信息处理和通信系统的潜在构件，而光子也是如此，它是电磁辐射的不连续包，或"量子"的基本粒子。但是哄骗这两个量子物体一起工作是很困难的，因为原子核和光子几乎没有互动，而且它们的自然频率相差六到九个数量级。在麻省理工学院团队开发的新工艺中，进入的激光束的频率差异与核自旋的过渡频率相匹配，促使核自旋以某种方式翻转。核科学与工程系教授卡佩拉罗说："我们已经找到了一种新的、强大的方法，将核自旋与来自激光的光子对接起来。这种新的耦合机制使它们的控制和测量成为可能，这使得使用核自旋作为量子比特成为更有前途的努力。"研究人员说，这个过程是完全可调整的。例如，其中一个激光器可以被调谐到与现有电信系统的频率相匹配，从而将核自旋变成量子中继器，实现长距离的量子通信。以前尝试用光来影响核自旋是间接的，而是耦合到该核周围的电子自旋，这反过来又会通过磁相互作用影响核。但这需要附近存在未配对的电子自旋，并导致核自旋的额外噪音。对于新方法，研究人员利用了许多核具有电四极的事实，这导致了与环境的电核四极互动。这种相互作用可以受到光的影响，以改变核本身的状态。"核自旋通常是相当弱的相互作用，"李说。"但是通过利用一些核具有电四极的事实，我们可以诱发这种二阶的非线性光学效应，直接耦合到核自旋，而没有任何中间的电子自旋。这使我们能够直接操纵核自旋"。除其他事项外，这可以允许精确识别甚至绘制材料的同位素，而拉曼光谱，一种基于类似物理学的成熟方法，可以识别材料的化学和结构，但不能识别同位素。研究人员说，这种能力可能有许多应用。至于量子存储器，目前正在使用或考虑用于量子计算的典型设备的相干时间--意味着存储的信息可以可靠地保持完整的时间--往往是以一秒钟的小数点来衡量。但在核自旋系统中，量子相干时间是以小时来衡量的。该团队说，由于光学光子被用于通过光纤网络进行长距离通信，因此将这些光子直接耦合到量子存储器或传感设备的能力可以为新的通信系统提供巨大的好处。此外，这种效应可以被用来提供一种将一组波长转换为另一组波长的有效方法。徐说："我们正在考虑使用核自旋进行微波光子和光学光子的转换，"他补充说，这可以为这种转换提供比其他方法更大的保真度。到目前为止，这项工作是理论上的，所以下一步是在实际的实验室设备中实现这一概念，可能首先是在一个光谱系统中。徐说："这可能是原则性验证实验的一个很好的候选者。他说，在此之后，他们将解决量子设备，如存储器或转导效应。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349317.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349317.htm

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为

量子物质突破：研究人员发现独特的量子行为一个科学家小组将冷原子气体的操纵潜力提高了一倍，创造出了一种新型物质。这一突破可以通过激发特制气体中的"密度波"来推动量子技术的发展。密度波插图。由HaraldRitsch绘制。资料来源：因斯布鲁克大学/EPFL过去，冷原子气体因能够"编程"原子之间的相互作用而闻名于世，洛桑联邦理工学院的让-菲利普-布兰特教授（Jean-PhilippeBrantut）说。"我们的实验让这种能力翻了一番！"他们与因斯布鲁克大学的赫尔穆特-里奇（HelmutRitsch）教授小组合作，取得了一项突破性进展，这不仅会影响量子研究，还会影响未来的量子技术。长期以来，科学家们一直对了解材料如何自组织成晶体等复杂结构感兴趣。在量子物理学这个常常令人费解的世界里，粒子的这种自组织表现为"密度波"，即粒子排列成一种有规律的、重复的模式或"秩序"；就像一群穿着不同颜色衬衫的人站成一排，但没有两个穿着相同颜色衬衫的人站在一起。在金属、绝缘体和超导体等多种材料中都能观察到密度波。然而，对它们的研究一直很困难，尤其是当这种秩序（波中粒子的模式）与其他类型的组织（如超流体--一种允许粒子无阻力流动的特性）同时出现时。值得注意的是，超流动性并不仅仅是一种理论上的好奇心；它对于开发具有独特性质的材料（例如高温超导性，它可以带来更高效的能量传输和存储）或建造量子计算机具有巨大的意义。为了探索这种相互作用，布兰特和他的同事们创造了一种"单元费米气体"，这是一种由冷却到极低温度的锂原子组成的稀薄气体，其中的原子经常相互碰撞。然后，研究人员将这种气体置于光腔中，光腔是一种用于将光线长时间限制在狭小空间内的装置。光腔由两面反射镜组成，能将射入的光线在两面反射镜之间来回反射数千次，从而使光粒子（光子）在光腔内积聚。在这项研究中，研究人员利用空腔使费米气体中的粒子发生远距离相互作用：第一个原子会发射一个光子，光子反弹到镜子上，然后被气体中的第二个原子重新吸收，无论它与第一个原子的距离有多远。当发射和重新吸收的光子足够多时（在实验中很容易调整），原子就会集体组织成密度波模式。布兰特说："原子在费米气体中直接相互碰撞，同时又在很远的距离上交换光子，这是一种新型物质，其中的相互作用是极端的。我们希望，我们在那里看到的东西将增进我们对物理学中遇到的一些最复杂材料的理解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1372485.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1372485.htm

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法

研究人员发现利用量子光探测量子声音的开创性方法最近发表在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）杂志上的一项研究揭示了分子振动与光粒子（即光子）之间的量子力学相互作用。希望这一发现能帮助科学家更好地理解光与物质在分子尺度上的相互作用。量子效应在从新量子技术到生物系统等各种应用中的重要性的基本问题铺平了道路。UEA物理学院的马格努斯-博格（MagnusBorgh）博士说："化学物理学界对光粒子的能量在分子内传递过程的性质长期存在争议。从根本上说，它们是量子力学还是经典力学？分子是复杂而混乱的系统，不断振动。这些振动如何影响分子中的任何量子力学过程？""对这些过程的研究通常使用依赖偏振的技术--这与太阳镜中用于减少反射的光的特性相同。但这是一种经典现象。量子光学是研究光的量子性质及其与原子尺度物质相互作用的物理学领域，它的技术可以提供一种直接研究分子系统中真正量子效应的方法。"光子相关性在量子行为中的意义通过研究置于激光场中的分子发出的光的相关性，可以揭示量子行为。相关性回答了两个光子发射距离很近的可能性有多大的问题，并可使用标准技术进行测量。UEA理论化学博士生本-汉弗莱斯（BenHumphries）说："我们的研究表明，当分子与周围环境交换声子（量子力学的声音粒子）时，会在光子相关性中产生可识别的信号。"虽然光子在世界各地的实验室中都能被常规地产生和测量，但单个的量子振动，也就是相应的声音粒子--声子，一般无法进行类似的测量。新发现为研究分子中的量子声音世界提供了一个工具箱。首席研究员、UEA化学学院的加思-琼斯（GarthJones）博士说："我们还计算了光子和声子之间的相关性。他补充说："如果我们的论文能够启发人们开发新的实验技术，直接探测单个声子，那将是非常令人兴奋的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392893.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392893.htm