量子算法使离子停止运动

不匹配的伙伴正在被冷却:单个铍离子(左边红色)和单个高电荷氩离子(右边紫色)被来自不同侧面的激光轰击，几乎完全静止。

激光束不仅仅能加热物体;他们也可以给它们降温。这对致力于精密光谱学和光学原子钟发展的物理学家来说并不是什么新鲜事。但最新的发现是，德国联邦物理技术研究所(PTB)的QUEST研究所的研究人员已经能够用他们的高电荷离子达到极低的温度——这种类型的离子以前从未冷却到200 μ K。研究团队成功地结合了他们已经建立的方法，包括耦合离子的激光冷却和量子计算领域的方法。量子算法的应用确保了传统激光冷却技术无法有效冷却的不同离子最终可以一起冷却。这意味着我们正在接近一个带有高电荷离子的光学原子钟，而且这个原子钟可能有可能比现有的光学原子钟更精确。研究结果发表在本期的《物理评论X》上。

如果你想非常精确地研究粒子(比如离子)(比如，使用精密光谱学或在原子钟中测量它们的频率)，那么你必须让它们尽可能接近静止状态。最极端的静止状态等同于可能的最低温度——这意味着你必须尽可能有效地冷却它们。一种已经建立起来的高科技冷却方法是所谓的激光冷却。这种方法通过巧妙安排的激光使粒子减速。然而，并不是每个粒子都适合这种方法。这就是为什么长期以来QUEST研究所一直使用耦合离子对来克服这个问题:一个离子(称为“冷却离子”或“逻辑离子”)是用激光冷却的;同时，它的耦合伙伴离子也被冷却，然后可以用光谱研究(因此，它被称为“光谱离子”)。但这种方法以前总是在两种离子的电荷质量比相差太大时达到极限，也就是说，当它们的质量和电荷相差太大时。QUEST的物理学家史蒂芬·金解释说:“但现在，正是这些离子让我们的研究特别感兴趣，比如开发新型光学时钟。”

由于他和他的团队在应用量子力学定律方面自然经验丰富(毕竟耦合冷却是基于量子定律)，他们利用了量子计算研究者的工具包。量子algorithms-i.e。基于操作单个量子的计算机操作，不能仅仅用于量子计算机比以往更快地执行计算。它们还可以帮助从不匹配的离子对中提取动能。在所谓的“算法冷却”过程中，量子运算被用来实现这一目的:将能量从光谱离子难以冷却的运动转移到逻辑离子易于冷却的运动。

他们做得非常好:“我们能够从这对离子中提取出如此多的能量，它们的温度最终降到了200 μ K，”QUEST的一名博士生Lukas Spieß说。这样的组合从未如此接近绝对零度(即:如此静止)。“更重要的是，我们还观察到一个前所未有的低水平的电场噪声，”他接着说。当冷却停止时，这种噪音通常会导致离子被加热，但在他们的仪器中，这种噪音特别低。把这两种东西结合起来，意味着他们道路上的最后一个主要障碍已经被克服了，基于高电荷离子的光学原子钟可以被制造出来。这个原子钟可以达到小于10-18的不确定度。目前只有世界上最好的光学原子钟才能达到这样的性能。这些发现对量子计算机和精密光谱学的发展也具有重要意义。