MIT工程師發(fā)現(xiàn)一種將原子核控制為“量子比特”的新方法,使用激光，研究人員可以直接控制稱為自旋的原子核特性，它可以編碼量子信息。原則上，基于量子的設(shè)備（如計(jì)算機(jī)和傳感器）在執(zhí)行許多復(fù)雜任務(wù)方面可以大大優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字技術(shù)。
盡管科技公司以及學(xué)術(shù)和政府實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量投資，但在實(shí)踐中開(kāi)發(fā)此類設(shè)備一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
今天最大的量子計(jì)算機(jī)仍然只有幾百個(gè)“量子比特”，即數(shù)字比特的量子等價(jià)物。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員提出了一種制造量子比特并控制它們讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)的新方法。
該方法在現(xiàn)階段是理論上的，它基于測(cè)量和控制原子核的自旋，使用來(lái)自兩個(gè)顏色略有不同的激光器的光束。研究結(jié)果在 紙 周二發(fā)表在《華爾街日?qǐng)?bào)》上 物理回顧 X，由麻省理工學(xué)院博士生徐浩偉、李菊教授和保拉·卡佩拉羅教授等四位教授撰寫(xiě)。
長(zhǎng)期以來(lái)，核自旋一直被認(rèn)為是基于量子的信息處理和通信系統(tǒng)的潛在構(gòu)建塊，光子也是如此，光子是電磁輻射的離散包或“量子”的基本粒子。但是要哄騙這兩個(gè)量子物體一起工作是很困難的，因?yàn)樵雍撕凸庾訋缀鯖](méi)有相互作用，而且它們的固有頻率相差六到九個(gè)數(shù)量級(jí)。
在麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新工藝中，入射激光束的頻率差異與核自旋的躍遷頻率相匹配，推動(dòng)核自旋以某種方式翻轉(zhuǎn)。
“我們已經(jīng)找到了一種新穎而強(qiáng)大的方法，將核自旋與來(lái)自激光的光學(xué)光子連接起來(lái)，”核科學(xué)與工程教授Cappellaro說(shuō)。“這種新穎的耦合機(jī)制使它們能夠控制和測(cè)量，這使得使用核自旋作為量子比特成為一項(xiàng)更有前途的努力。
研究人員說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是完全可調(diào)的。例如，可以調(diào)整其中一個(gè)激光器以匹配現(xiàn)有電信系統(tǒng)的頻率，從而將核自旋變成量子中繼器，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信。
以前利用光來(lái)影響核自旋的嘗試是間接的，而是耦合到圍繞該原子核的電子自旋，這反過(guò)來(lái)又會(huì)通過(guò)磁相互作用影響原子核。但這需要附近存在不成對(duì)的電子自旋，并導(dǎo)致核自旋上的額外噪聲。對(duì)于新方法，研究人員利用了許多原子核具有電四極桿的事實(shí)，這導(dǎo)致與環(huán)境的電核四極相互作用。這種相互作用可以受到光的影響，以改變?cè)雍吮旧淼臓顟B(tài)。
“核自旋通常是非常弱的相互作用，”李說(shuō)，“但是通過(guò)利用一些原子核具有電四極桿的事實(shí)，我們可以誘導(dǎo)這種直接耦合到核自旋的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，沒(méi)有任何中間電子自旋。這使我們能夠直接操縱核自旋。
除其他外，這可以精確識(shí)別甚至繪制材料的同位素，而拉曼光譜是一種基于類似物理學(xué)的成熟方法，可以識(shí)別材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)，但不能識(shí)別同位素。研究人員說(shuō)，這種能力可能有很多應(yīng)用。
至于量子存儲(chǔ)器，目前用于或考慮用于量子計(jì)算的典型設(shè)備具有相干時(shí)間 - 這意味著存儲(chǔ)的信息可以可靠地保持完整的時(shí)間 ,往往以幾分之一秒的微小部分來(lái)測(cè)量。但是對(duì)于核自旋系統(tǒng)，量子相干時(shí)間以小時(shí)為單位。
由于光子用于通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)距離通信，因此將這些光子直接耦合到量子存儲(chǔ)器或傳感設(shè)備的能力可以在新的通信系統(tǒng)中提供顯著的好處，該團(tuán)隊(duì)說(shuō)。 此外，該效應(yīng)可用于提供將一組波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為另一組波長(zhǎng)的有效方法?！拔覀冋诳紤]使用核自旋來(lái)轉(zhuǎn)導(dǎo)微波光子和光子，”徐說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)這可以為這種翻譯提供比其他方法更大的保真度。
到目前為止，這項(xiàng)工作是理論上的，所以下一步是在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中實(shí)現(xiàn)這個(gè)概念，可能首先是在光譜系統(tǒng)中?！斑@可能是原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的一個(gè)很好的候選者，”徐說(shuō)。他說(shuō)，在那之后，他們將處理諸如記憶或轉(zhuǎn)導(dǎo)效應(yīng)之類的量子設(shè)備。
這項(xiàng)工作“為量子技術(shù)提供了新的機(jī)會(huì)，包括量子控制和量子記憶，”克萊姆森大學(xué)物理學(xué)助理教授王耀說(shuō)，他與這項(xiàng)工作無(wú)關(guān)。他補(bǔ)充說(shuō)：“令人印象深刻的是，這項(xiàng)工作還通過(guò)準(zhǔn)確的第一性原理方法對(duì)這些應(yīng)用場(chǎng)景中的預(yù)期觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了非常定量的預(yù)測(cè)。我期待著這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，我相信這將吸引量子科學(xué)和核技術(shù)領(lǐng)域的許多研究人員。如果想要了解更多，可以添加V信Tops6868，托普仕相關(guān)的老師會(huì)為您解疑答惑。
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