研究人员通过分子与原子的纠缠建立混合量子系统

时间:2020-05-29 20:57 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

研究人员通过分子与原子的纠缠建立混合量子系统

国家标准和技术研究所的物理学家们提高了分子的控件的基本属性在量子层面通过链接或“卷入”一个带电的原子和一个带电分子,展示一种构建混合量子信息系统操作,存储和传输不同形式的数据。

在5月20日发表在网上的《自然》杂志上的一篇论文中描述了这种新的NIST方法,它可以通过基于不兼容的硬件设计和工作频率来连接量子位,从而帮助建立大规模的量子计算机和网络。混合平台量子系统可以提供像传统计算机系统那样的多功能性,例如,可以在电子处理器、光盘和磁性硬盘之间交换数据。

NIST的实验成功地将原子离子中电子的性质与分子的旋转状态联系起来,这样一个粒子的测量就可以控制另一个粒子的性质。该研究建立在该组织2017年对一种分子的量子控制的演示的基础上,该演示将长期以来用于操纵原子的技术扩展到了由多个原子结合在一起的分子所提供的更复杂、可能更富有成果的领域。

分子有不同的内部能级,就像原子一样,但也会以不同的速度和角度旋转和振动。因此,分子可以在量子系统中充当介质,将量子信息转换为量子位元频率范围很广的量子信息,频率从每秒几千次到每秒数万亿次不等。通过振动,分子可以提供更高的量子比特频率。

“我们证明了原子离子和分子离子是纠缠在一起的,而且我们也证明了在分子中有广泛的量子位频率选择,”NIST的物理学家James (Chin-wen) Chou说。

量子位以两种不同的量子态表示数字数据位0和1,例如原子中的低能和高能能级。量子位也可以同时存在于两种状态的“叠加”中。NIST的研究人员将钙原子离子的两个能级与氢氧化钙分子离子的两对不同的旋转态纠缠在一起,氢氧化钙分子离子是一种与氢原子结合的钙离子。分子量子位具有一个转换频率——在两个旋转状态之间循环的速度——低能量13.4千赫(千赫,千周每秒)或者高能能量8550亿周每秒(千兆赫或千兆赫)。

周说:“分子提供了一种过渡频率的选择,我们可以从许多类型的分子中选择,所以这是一个巨大的量子位频率范围,我们可以把它引入量子信息科学。”“我们正在利用自然界的变化,所以结果对每个人都是一样的。”

实验采用不同强度、不同方向、不同脉冲序列的蓝色和红外激光束的特定公式来冷却、纠缠和测量离子的量子态。

首先,NIST的研究人员捕获这两个离子并将其冷却到最低能量状态。由于物理上的接近和带正电荷,这一对相互排斥,这种排斥作用就像弹簧锁住了它们的运动。激光脉冲增加了分子旋转的能量,并创造了低能量和高能旋转状态的叠加,这也引发了共同的运动,所以两个离子开始摇摆或一致摆动,在这种情况下,在相反的方向。

因此,分子的转动与它的运动纠缠在一起。更多的激光脉冲利用这两个离子的共同运动,诱导原子离子进入低能级和高能级的叠加。这样,纠缠就从运动转移到围绕原子的运动。研究人员通过用激光照射原子离子并测量它的荧光,即它散射的光的多少,来确定原子离子的状态。

NIST的研究人员用两组分子的旋转特性演示了该技术,成功地实现了87%的时间与低能量对(量子比特)纠缠,76%的时间与高能量对纠缠。在低能的情况下,分子以两个稍微不同的角度旋转,像陀螺一样,但同时处于两种状态。在高能情况下,分子同时以两种速度旋转,速度相差很大。

2017年实验中展示的量子逻辑技术使这项新工作成为可能。研究人员利用红外激光脉冲来驱动分子在超过100种可能的旋转状态中的两种之间进行切换。研究人员知道这种转变的发生是因为两个离子的共同运动增加了一定的能量。研究人员根据原子离子发出的光信号知道这些离子是纠缠在一起的。

新方法可用于由不同元素组成的多种分子离子,提供了广泛的量子位特性选择。

这种方法可以连接不同频率的不同类型的量子位,比如原子和超导系统或光粒子,包括电信和微波组件。除了在量子信息方面的应用,新技术在制造量子传感器或执行量子增强化学方面也可能是有用的。

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