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俄罗斯成功捕捉单原子并拍照
时间:2020-08-18 浏览次数: 来源:科技部 字号:[ ]

来自俄科学院西伯利亚分院网站的报道,该分院半导体物理所与国立新西伯利亚大学、国立新西伯利亚技术大学的联合科研团队采用光镊子成功捕捉铷元素单原子并约束40秒,并采用长焦镜头相机对约束原子进行了拍照。所获阶段性研究成果在量子计算机研发领域具有重要的意义,相关成果发布在学术期刊“量子电子”上。

科研团队将此项研究分为若干个子课题。首先,需要将原子进行冷却并降低速度。科研人员采用激光束通过原子对光子的吸收实施了原子的减速;其次,需要采用激光束所形成的约束阱对单个原子进行捕捉,此时的激光聚焦高度清晰,仅为几微米,这是原子被约束在激光点的激光特征值;之后,为获得单个原子的照片,需要在百毫秒的短时间内“纪录”下约束阱中原子散射的红外光子。实验条件要求在非常短的时间内获得受约束原子的照片,只有这样的原子才能作为量子比特使用。

研究过程中,科研人员首先尝试将光学镊子镜头尽量远离冷原子云,以消除原子与镜头玻璃的相互作用,而这种做法对下一步的二量子位量子运算会产生不利的影响,之后又采用长焦镜头使其远离原子,但由于单原子亮度本身很低,进入镜头的光子更少,这使得纪录原子发出的光子就变得更难,因此所有研究结果指向于将光子聚焦于相机的单像素上,在此情形下的研究发现,由于激光镊子总是试图使原子摆脱背光共振,在相机本底噪音下无法得到单原子的影像。为消除上述问题,科研人员短暂(不超过百万分之一秒)关闭约束阱,在保证单原子来不及逃逸的情况下,通过数千个周期重复开关积累信号能量,由此首次采用长焦镜头和sCMOS相机获得了单原子的影像照片。国外此类研究往往采用高灵敏度电子倍增EMCCD相机,而科研团队采用其上一代产品sCMOS相机却获得了理想的结果:采用最少的曝光时间(50毫秒)获得了单原子清晰的照片,并且后期试验的原子约束最长时间达到了40秒。

科研团队下一步的工作是完成高精度单量子位量子运算并过渡到二量子位量子运算,通俗地说,即通过改变并控制原子的电子状态, 采用冷原子进行量子计算机逻辑元素的“准备”。此项研究得到了俄罗斯科学基金和前景研究基金的支持。

采用光学阱对单原子进行约束,这是创建一个量子位数组并进行量子计算的第一步,量子位数组含有大量的原子,而每一原子约束于“自己”的光学镊子上,由此,不仅需要捕捉原子,而且还需要对其准确记录。冷原子的电子状态可保持数秒,这对于完成量子计算已经足够了,所以此类原子可作为量子比特。全球从事单冷原子研究的课题组不超过20个,而在俄罗斯仅有2个课题组,除了西伯利亚的课题组外,另一个在莫大。

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