NIST物理學家找到一種控制帶電分子的方法-使用量子邏輯

標準與技術研究院(NIST)物理學家解決了如何控制單個帶電分子或分子離子的量子特性這一看似棘手的難題。關鍵：使用相同類型的“量子邏輯”操作，用于在未來的量子計算機中進行計算。

這項新技術實現(xiàn)了難以實現(xiàn)的目標，控制分子與激光冷卻一樣有效，其他技術可以控制原子。原子的量子控制徹底改變了原子物理學，導致了原子鐘等應用。但激光冷卻和控制分子極具挑戰(zhàn)性，因為它們比原子復雜得多。

NIST技術仍然使用激光，但只能輕輕探測分子; 它的量子態(tài)是間接檢測的。這種對分子離子的控制 - 幾個原子結合在一起并攜帶電荷 - 可以導致更復雜的量子信息處理架構，放大基礎物理研究中的信號，如測量電子形狀的“圓度”，以及增強控制化學反應

這項研究在5月11日出版的“ 自然”雜志(鏈接是外部的)中進行了描述，并由NIST Boulder小組進行，該小組展示了1978年第一次激光冷卻原子離子。

“我們開發(fā)的方法適用于許多類型的分子，”NIST物理學家James Chin-wen Chou說。“無論你使用原子離子可以玩什么技巧，現(xiàn)在都可以使用分子離子。現(xiàn)在分子會“傾聽”你 - 實際上，問“你想讓我做什么?”

“這與科學家們首次激光冷卻和捕獲原子，將閘門打開，應用于精密計量和信息處理的應用相當。用分子實現(xiàn)所有這些事情是我們的夢想，“Chou補充道。

與原子相比，分子更難控制，因為它們具有更復雜的結構，涉及許多電子能級，振動和旋轉(zhuǎn)。分子可以由許多不同數(shù)量和原子組合組成，并且與超過一米長的DNA鏈一樣大。

NIST方法通過將信息轉(zhuǎn)移到原子離子來找到分子離子的量子態(tài)(電子，振動和旋轉(zhuǎn))，原子離子可以用先前已知的技術進行激光冷卻和控制。借用NIST量子邏輯時鐘的想法，研究人員試圖操縱分子離子，如果成功，則在離子對中引發(fā)同步運動。選擇操作使得它只能在分子處于某種狀態(tài)時觸發(fā)運動。“是”或“否”答案由原子離子發(fā)出信號。該技術非常溫和，表明分子的量子態(tài)而不會破壞它們。

“如果它處于正確狀態(tài)，分子只會搖晃。原子感到搖晃，可以將微動轉(zhuǎn)移到我們可以拾取的光信號中，“資深作者Dietrich Leibfried說道。“這就像盲文，它讓人們感受到寫的東西而不是看到它。我們感覺分子的狀態(tài)而不是看到它，原子離子是我們的微觀手指，這使我們能夠做到這一點。“

“此外，該方法應適用于大量分子而不改變設置。這是NIST基本使命的一部分，用于開發(fā)其他人可以在其工作中使用的精確測量工具，“Leibfried補充說。

為了進行這項實驗，NIST的研究人員清除了舊的但仍然可用的設備，包括2004年量子隱形傳態(tài)實驗中使用的離子阱。他們還從同一實驗室正在進行的量子邏輯時鐘實驗中借用了激光。

研究人員在室溫下的高真空室中捕獲了兩個百萬分之一米的鈣離子。將氫氣泄漏到真空室中，直到一個鈣離子反應形成由一個鈣離子和一個氫原子鍵合在一起的氫化鈣(CaH +)分子離子。

就像通過彈簧耦合的一對擺錘一樣，兩個離子可以發(fā)展共享運動，因為它們的物理接近性和它們的電荷的排斥相互作用。研究人員使用激光冷卻原子離子，從而將分子冷卻到最低能量狀態(tài)。在室溫下，分子離子也處于其最低的電子和振動狀態(tài)，但仍保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的混合。

研究人員隨后應用了光調(diào)諧的紅外激光脈沖，以防止離子的電子或振動狀態(tài)發(fā)生變化，從而在分子的100多種可能的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中的兩種之間實現(xiàn)獨特的過渡。如果發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，則在兩個離子的共享運動中加入一個能量子。然后，研究人員應用額外的激光脈沖將共享運動的變化轉(zhuǎn)換為原子離子內(nèi)部能量水平的變化。然后原子離子開始散射光，表明分子離子的狀態(tài)發(fā)生了變化并且處于所需的目標狀態(tài)。

隨后，研究人員可以在激光誘導的過渡期間從發(fā)射和吸收的光傳遞角動量，例如，將分子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)定向在期望的方向上。

新技術具有廣泛的可能應用。JouA的其他NIST科學家以前曾使用激光以某種方式操縱特定帶電分子的云，但是新的NIST技術可用于以更多方式控制許多不同類型的較大分子離子，Chou說。

Chou說，分子離子提供了比原子離子更多的選擇，用于存儲和轉(zhuǎn)換量子信息。例如，它們可以提供更多功能，用于將量子信息分發(fā)到不同類型的硬件，例如超導組件。

該方法還可用于回答深層物理問題，例如自然界的基本“常數(shù)”是否隨時間而變化。氫化鈣分子離子已被確定為回答這些問題的候選者之一。此外，為了測量電子的電偶極矩(表示粒子電荷分布的圓度的數(shù)量)，同時精確控制數(shù)百個離子的所有方面的能力將提高科學家想要的信號強度。測量，周說。