原子間單量子能量交換首次實現

據美國物理學家組織網2月23日報道，美國國家標準研究院物理學家首次在兩個分隔的帶電原子（離子）之間建立了直接運動耦合，實現了原子之間的單量子能量交換。這一技術簡化了信息處理過程，可用于未來的量子計算機、模擬技術和量子網絡中。相關研究發表在2月23日的《自然》雜志上。
　　研究人員解釋說，他們讓兩個鈹離子在電磁勢阱中震蕩進行能量交換，這一交換中是以最小能量單位——量子來進行的。這意味著離子被“耦合”在一起，表現出像宏觀世界中如鐘擺、音叉那樣的“和諧震蕩”，做重復的來回運動。
　　實驗利用了一種單層離子勢阱，并將其浸在液氦浴中冷卻到零下269攝氏度。離子之間相隔40微米，漂浮在勢阱表面。勢阱表面裝有微小電極，讓兩個離子靠得更近，以便產生更強的耦合作用。超低溫度可以抑制熱量，避免擾亂離子行為。研究人員在勢阱上放了震蕩脈沖來檢測鈹離子頻率。   
　　研究人員還用激光制冷減弱兩個離子的運動，再用兩束反向紫外激光束將一個離子進一步冷卻到靜止狀態，調節勢阱電極間的電壓，就開啟了耦合作用。經測量，離子的能量交換每155微妙僅有幾個量子，而達到單個量子交換時頻率更低，間隔為218微秒。從理論上講，離子之間這種能量交換過程能一直持續，直到被熱量打斷。   
　　“首先，一個離子輕微震動而另一個靜止，然后震動傳給了另一個離子，它們之間的能量運動是一個最小的能量單位。”論文第一作者、國家標準技術研究院博士后研究員坎頓·布朗說，“我們可以調節耦合作用，影響能量交換的速度和程度，還能控制耦合作用的開啟或終止。”用電極電壓來調整兩個離子的頻率，讓它們離得更近，耦合作用就開始了。當兩個離子頻率最接近時，耦合作用最強。由于正電荷離子之間的靜電作用，它們之間傾向于互相排斥。耦合使每個離子都具有了兩個電子的特征頻率。   
　　在未來的量子計算機中，上述技術可用于解決量子系統的復雜問題，破解當今使用最廣的數據加密編碼。不同位置的離子直接耦合可以簡化邏輯運算，有助于校正運算過程錯誤。該技術還可能用于量子模擬，以解釋復雜量子系統如高溫超導現象的原理機制。   
　　研究人員還指出，類似的量子交換作用可以用來連接不同類型的量子系統，如離子和光子，在未來的量子網絡中傳遞信息，如勢阱中的離子可以在超導量子比特（昆比特）和光子比特之間作“量子轉換器”。