控制量子运动和超纠缠
加州理工学院物理学教授曼努埃尔·恩德雷斯 （Manuel Endres） 专门研究使用称为光镊的设备对单个原子进行精细控制。 他和他的同事使用由激光制成的镊子来纵原子阵列中的单个原子，以研究量子系统的基本特性。 除其他进步外，他们的实验导致了在简单量子机器中擦除错误的新技术; 一种可能带来世界上最精确时钟的新设备; 以及控制着 6000 多个原子的破纪录量子系统。 这项工作中的一个烦人因素是原子的正常抖动运动，这使得系统更难控制。 现在，在《科学》杂志上报道，该团队已经彻底解决了这个问题，并利用这种原子运动来编码量子信息，这是量子技术的基础过程。 “我们展示了原子运动，它通常被视为量子中不需要的噪声源系统，可以转化为一种力量，“Adam Shaw （PhD '24） 说，他是该研究的共同主要作者，与 Pascal Scholl 和 Ran Finkelstein 一起。 在这些实验期间，Shaw 曾是加州理工学院的研究生，现在是斯坦福大学的博士后学者。 Scholl曾在加州理工学院（Caltech）担任博士后，现在在量子计算公司Pasqal工作。 Finkelstein 在加州理工学院获得了 Troesh 博士后奖学金，现在是特拉维夫大学的教授。 最终，该实验不仅在原子的运动中编码了量子信息，还导致了一种称为超纠缠的状态。 在基本纠缠中，即使相隔很远，两个粒子也会保持连接。 当研究人员测量粒子的状态时，他们会观察到这种相关性：例如，如果一个粒子处于称为自旋向上的状态（角动量的方向指向上方），则另一个粒子将始终向下旋转。 输入超纠缠，粒子对的两个特征是相关的。 作为一个简单的类比，这就像一组双胞胎在出生时分开，他们的名字相同，汽车类型相同：这两个特征在双胞胎之间是相关的。 在这项新研究中，Endres 和他的团队能够将原子对进行超纠缠，使它们各自的运动状态和各自的电子状态（它们的内能级）在原子之间相互关联。 更重要的是，这个实验证明意味着可以同时纠缠更多的性状。 “这使我们能够在每个原子上编码更多的量子信息，”Endres 解释说。 “你会用更少的资源得到更多的纠缠。” 该实验是大质量粒子（例如中性原子或离子）中超纠缠的首次演示（早期的演示使用光子）。 在这些实验中，该团队冷却了一系列受限制的单个碱地球中性原子内光镊。 Endres 说，他们通过“检测和随后的热运动激励的主动校正”展示了一种新颖的冷却形式，他将其与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 （James Clerk Maxwell） 1867 年著名的思想实验进行了比较，该实验调用了一个恶魔来测量和分类腔室中的粒子。 “我们基本上是测量每个原子的运动，并根据结果逐个原子地进行作，类似于麦克斯韦的恶魔。” 该方法优于最著名的激光器冷却技术导致原子几乎完全停止。 从那里开始，研究人员诱导原子像摆动的钟摆一样振荡，但振幅约为 100 纳米，比人的头发要小得多。 他们能够同时将原子激发成两个不同的振荡，使运动处于叠加状态。 叠加是一种量子态，其中粒子表现出相反的特性同时，就像粒子的自旋同时向上和向下。 “你可以想象一个原子在这种叠加态下移动，就像一个荡秋千的孩子开始被对立两侧的两个父母推着，但同时，”Endres 说。 “在我们的日常生活中，这肯定会导致父母的冲突; 在量子世界中，我们可以非常出色地利用它！ 然后，他们将单个、摆动的原子缠绕到伙伴原子上，形成一种相关状态在几微米的距离上运动。 原子纠缠后，该团队以原子的运动和电子状态相互关联的方式对它们进行超纠缠。 “基本上，我们的目标是突破我们可以控制这些原子的程度的界限，”Endres 说。 “我们本质上是在构建一个工具箱：我们知道了如何控制原子内的电子，现在我们学会了如何控制整个原子的外部运动。 它就像你已经完全掌握的原子玩具一样。 这些发现可能会带来执行量子计算的新方法，以及旨在探索物理学基本问题的量子模拟。 “运动状态可以成为量子技术的强大资源，从计算到模拟再到精密测量，”Endres 说。