原子间单量子能量交换首次实现

2011-2-25 09:32 来源: 中国科学院
648 收藏到BLOG

  据美国物理学家组织网2月23日报道,美国国家标准研究院物理学家首次在两个分隔的带电原子(离子)之间建立了直接运动耦合,实现了原子之间的单量子能量交换。这一技术简化了信息处理过程,可用于未来的量子计算机、模拟技术和量子网络中。相关研究发表在2月23日的《自然》杂志上。

  研究人员解释说,他们让两个铍离子在电磁势阱中震荡进行能量交换,这一交换中是以最小能量单位——量子来进行的。这意味着离子被“耦合”在一起,表现出像宏观世界中如钟摆、音叉那样的“和谐震荡”,做重复的来回运动。

  实验利用了一种单层离子势阱,并将其浸在液氦浴中冷却到零下269摄氏度。离子之间相隔40微米,漂浮在势阱表面。势阱表面装有微小电极,让两个离子靠得更近,以便产生更强的耦合作用。超低温度可以抑制热量,避免扰乱离子行为。研究人员在势阱上放了震荡脉冲来检测铍离子频率。  

  研究人员还用激光制冷减弱两个离子的运动,再用两束反向紫外激光束将一个离子进一步冷却到静止状态,调节势阱电极间的电压,就开启了耦合作用。经测量,离子的能量交换每155微妙仅有几个量子,而达到单个量子交换时频率更低,间隔为218微秒。从理论上讲,离子之间这种能量交换过程能一直持续,直到被热量打断。  

  “首先,一个离子轻微震动而另一个静止,然后震动传给了另一个离子,它们之间的能量运动是一个最小的能量单位。”论文第一作者、国家标准技术研究院博士后研究员坎顿·布朗说,“我们可以调节耦合作用,影响能量交换的速度和程度,还能控制耦合作用的开启或终止。”用电极电压来调整两个离子的频率,让它们离得更近,耦合作用就开始了。当两个离子频率最接近时,耦合作用最强。由于正电荷离子之间的静电作用,它们之间倾向于互相排斥。耦合使每个离子都具有了两个电子的特征频率。  

  在未来的量子计算机中,上述技术可用于解决量子系统的复杂问题,破解当今使用最广的数据加密编码。不同位置的离子直接耦合可以简化逻辑运算,有助于校正运算过程错误。该技术还可能用于量子模拟,以解释复杂量子系统如高温超导现象的原理机制。  

  研究人员还指出,类似的量子交换作用可以用来连接不同类型的量子系统,如离子和光子,在未来的量子网络中传递信息,如势阱中的离子可以在超导量子比特(昆比特)和光子比特之间作“量子转换器”。