研究人員捕獲並控制可用於量子計算的原子

圖片說明：本實驗是在極低壓條件下的一個玻璃管中進行的，使用的是一根超細玻璃纖維和一束銫原子氣體。使用激光和磁場將原子冷卻至接近絕對零度（零下273攝氏度），這樣原子將在玻璃纖維附近以氣體形式聚集。然後使用兩種不同頻率的激光束來捕獲纖維表面的原子。通過測量原子吸收譜線兩旁其他光束的速度差，可以確定原子數。圖片來源：Niels Bohr Institute

量子計算有很多神奇之處，使得研究人員期待通過它能打破數據處理的紀錄，提高網絡安全性，並發明改進的的雷達、飛機和空間系統。但在這些實現之前，我們需要在原子消失之前得到並讀取它們。

日前，丹麥哥本哈根大學（University of Copenhagen）玻爾研究所（Niels Bohr Institute）的研究人員發明了一種新方法，這種方法可以捕獲超薄玻璃纖維附近的原子，而同時這些原子是可控的。他們的這一研究成果發表於2015年1月的Physical Review Letters上。

研究人員在研究所的量子光學實驗室中開展此實驗，這是一個不受汽車震動干擾的地下建築。在此實驗室中，研究人員開展了一系列的量子光學的超靈敏實驗。

玻爾研究所量子光學研究小組的副教授Jürgen Appel說：「實驗中，我們使用了一根直徑約為0.5微米的超細玻璃纖維（相當於一根毛發的百分之一）。」實驗中，此玻璃纖維周圍的銫原子被捕獲，同時被冷卻至約為絕對零度（約為100微開爾文或零下273攝氏度）。

研究人員解釋道，當光通過玻璃纖維時，由於纖維要比光的波長還要薄，因此光會沿著表面傳輸。因此，在纖維表面能捕獲到光和原子的強相互作用。

Appel說：「我們還研發了一種能測量原子數目的方法。我們分別將兩束不同頻率的激光通過玻璃纖維，如果纖維中不含有原子，則兩個光束的傳播速度相同。」

他補充道：「而事實上，原子對兩種頻率光的影響程度不同，測量原子吸收譜線兩旁其他光束的速度差，我們可以得到纖維內的原子數。結果表明，我們已經能夠捕獲2500個原子，其中不確定的僅為8個原子。」

該研究的作者也覺得結果非常好，他還說，如果沒有此技術，研究人員則必須使用共振光（或者原子吸收的光），使光子發生散射，無法捕捉原子。而本文提出的這一新方法將使得他們能很好地測量並控制原子，其中只有14%的原子逃逸。

Appel總結道：「我們的分辨率只會受自然量子噪聲（激光自身的最小波動）的限制，即我們的方法同樣適用於沿著纖維的原子糾纏態。這一原子和光強相互作用的糾纏體系在未來的量子計算機領域將有著廣泛的應用前景。」

美國物理學會（American Physical Society，APS）Michael Schirber說，這一微創技術能很好地控制原子數目，其不確定度僅為其他方法的1/10。他還說道，在光學晶格中捕獲的原子可用來制備非常精確的原子鐘和量子計算機。