激光束让离子成为静止画面

江苏激光联盟导读：

量子算法使离子陷入停顿。

激光束不仅仅能加热物体，也可以冷却他们。对于致力于精密光谱学和光学原子钟发展的物理学家来说，这并不是什么新鲜事。但现在有一种新的发现，这种类型的离子以前从未被冷却到200µK，现在却可以用高电荷离子达到极低的温度。

这项发现由德国物理技术研究所(PTB)的研究人员研究得出。这个团队通过将他们现有的方法(包括激光冷却耦合离子和量子计算领域的方法)结合在一起，取得了成功。量子算法的应用确保了传统激光冷却无法有效冷却的离子可以一起冷却。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，这个时钟可能有潜力比现有的光学原子钟更精确。研究结果发表在最新一期的《Physical Review X》上。

不匹配的伙伴正在被冷却：一个铍离子（红色，左）和一个高电荷氩离子（紫色，右）被来自不同侧面的激光轰击，几乎完全停止。来源: PTB

如果你想极其精确地研究诸如离子之类的粒子（比如，使用精密光谱仪或在原子钟中测量它们的频率），那么你必须尽可能使它们处于静止状态。最极端的静止状态与最低可能的温度相同，这意味着你必须尽可能有效地冷却它们。

激光冷是公认的高科技冷却方法之一。这种方法通过巧妙排列的激光使粒子减速。然而，并不是每个粒子都适合这种方法。这就是为什么在很长一段时间里，QUEST研究所一直在使用一对耦合离子来克服这个问题: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，然后可以进行光谱研究(因此，被称为“光谱离子”)。但在此之前，当两个离子的电荷质量比相差太大时(即当它们的质量和电荷相差很大时)，这种方法就会达到极限。“但现在正是这些离子对我们的研究特别有趣，例如，开发新型光学钟。”探索号的物理学家Steven King解释说。

一个Be+离子(红色，左)和一个HCI(紫色，右)被限制在一个线性保罗陷阱中的双离子库仑晶体的简化描绘(不按比例)。

由于他和他的团队在应用量子力学定律方面自然非常有经验。他们利用了量子计算研究人员的工具包。量子算法——即基于操纵单个量子的计算机操作——不仅能用于以量子计算机前所未有的速度执行计算。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，量子操作用于实现这一点：将能量从光谱离子几乎不可冷却的运动转移到逻辑离子容易冷却的运动。

上图:量子逻辑边带冷却序列的方案，代表了在每个描述的激光脉冲被应用之前离子晶体的状态。

他们成功地做到了这一点。“我们能够从一对离子中提取出如此多的能量，这对离子由一个带单电荷的铍离子和一个带高电荷的氩离子组成，最终它们的温度降到了200µK。”QUEST的一名博士生Lukas Spieß说。这样的集合从未如此接近绝对零度（如：如此静止）。“更重要的是，我们还观察到了前所未有的低水平的电场噪声，”他补充道。

双离子晶体在解析边带冷却前(黑色)和冷却后(红色)的WCR运动边带。这种跃迁是在Ar13+离子上驱动的，它的最终状态是用量子逻辑光谱从Be+离子中读出的。

当冷却停止时，这种噪声通常会导致离子被加热，但在他们的设备中，这种噪声特别低。将这两件事结合起来意味着他们道路上的最后一个主要障碍现在已经被克服，一个基于高电荷离子的光学原子钟可以被建造出来。这种原子钟的不确定度可能小于10–18。目前只有世界上最好的光学原子钟才能达到这种性能。这些发现对于量子计算机的发展和精密光谱学也具有重要意义。

来源：Algorithmic Ground-State Cooling of Weakly Coupled Oscillators UsingQuantum Logic, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041049

江苏激光联盟陈长军原创作品！