控制原子相互作用的新方法

在光学桌上的真空室，斯坦福研究小组利用精确的光和磁场将原子的直线排列成树状，一个被称为Möbius带的扭曲环和其他图案。作者：莫妮卡·施莱尔·史密斯

在一项新的研究中，斯坦福大学的研究人员展示了如何操纵原子，使它们与前所未有的控制力相互作用。利用精确传送的光和磁场，研究人员将一条直线的原子排列成树状，一个被称为Möbius带的扭曲环和其他图案。

这些形状不是通过物理移动原子而产生的，而是通过控制原子交换粒子和“同步”来共享某些特性的方式产生的。通过仔细操纵这些相互作用，研究人员可以生成大量的几何图形。重要的是，他们发现，直线远端的原子可以被编程成与直线中心相邻的原子一样强烈地相互作用。据研究人员所知，无论原子的实际空间位置如何，将非局域相互作用编程到这种程度的能力以前从未被证明过。

这些发现可能证明，在基于量子力学定律（即粒子在原子尺度上如何运动和相互作用的数学描述）的基础上发展先进计算和模拟技术的关键一步。

“在这篇论文中，我们展示了对量子力学系统中相互作用的可编程性的一个全新的控制水平，”该研究的资深作者、尼娜·C·克罗克学院学者、斯坦福大学人文科学学院物理系副教授莫妮卡·施莱尔·史密斯（Monika Schleier Smith）说。“这是我们长期努力的重要里程碑，同时也是新机遇的起点。”

这项研究发表在12月22日的期刊上自然.

两名研究生，阿维卡·佩里瓦尔和埃里克·库珀，以及博士后学者菲利普·昆克尔是这篇论文的共同主笔人。佩里瓦尔、库珀和昆克尔是史莱尔·史密斯在斯坦福大学实验室的研究人员。

施莱尔·史密斯说：“阿维卡、埃里克和菲利普作为一个团队在运行实验方面合作得非常好，他们设计了分析和可视化数据以及开发理论模型的巧妙方法。”。“我们都对这些结果感到非常兴奋。”

Periwal、Cooper和Kunkel在一份小组声明中说：“我们选择了一些简单的几何学，比如环和断开的链，作为原理的证明，但我们也形成了更复杂的几何结构，包括梯形结构和树状相互作用，这些都有助于解决物理学中的开放性问题。”。

按命令同步原子

Periwal、Cooper、Kunkel和他的同事在Schleier Smith实验室的光学桌子上进行了实验，这两种仪器控制着Schleier-Smith实验室的地板空间。这些桌子上镶嵌着由五颜六色的电线串在一起的复杂的电子元件阵列。在一张光学桌子的中心是一个真空室，由一个金属圆柱体和舷窗组成。一个泵将所有的空气从这个腔室中排出，这样其他原子就不会干扰小心放在里面的小束铷原子。斯坦福大学的研究人员将激光射入这个没有空气的腔室，以捕获铷原子，减慢原子的运动，并将其冷却到晶须绝对零度的范围内（理论上可能的最低温度，粒子运动在该温度下几乎静止不动）。在绝对零度以上的极冷领域，量子力学效应可以凌驾于经典物理学之上，因此原子可以被量子力学操控。

以这种方式使光穿过原子束，也可以使原子相互“交谈”。当光照射到每个原子时，它在它们之间传递信息，产生称为“关联”的模式，其中每个原子都具有某种期望的量子力学性质。量子力学性质的一个例子是总角动量，即原子的自旋，其值可以是，例如+1，0或-1。

斯坦福大学和其他地方的研究人员在使用激光冷却原子系统之前，已经将原子网络关联起来，但是直到最近，只有两种基本的原子网络可以被制造出来。在一个被称为“全对所有”的网络中，每个原子都与其他原子进行通信。第二种网络的工作原理是最近邻原理，即激光悬浮原子与相邻原子的相互作用最为强烈。

在这项新的研究中，斯坦福大学的研究人员首次提出了一种更为动态的方法，可以在离散的原子群之间传递特定距离上的信息。这样，空间位置就不重要了，而且可以编程一组更丰富的相关性。

施莱尔·史密斯说：“有了全对所有的网络，就像我在向所有人发送一份全球公告，而在最近的邻居网络中，就像我只和住在隔壁的人说话一样。”。“我们在实验室展示了这种可编程性，就好像我拿起一个电话，拨通了世界上任何地方我想和之交谈的人。”

研究人员成功地创造了这些非局部的相互作用和相互关系，通过控制光照在被捕获的铷原子束上的频率和改变一个应用的强度磁场在光学桌上。当磁场强度从真空室的一端增强到另一端时，它使沿着这条线的每一束原子的旋转速度都比先前相邻的原子束团快一些。尽管每个原子束团都有一个独特的旋转速率，但有时某些原子束还是会周期性地到达同一个方向，就像一排指针旋转速度越来越快的时钟仍然会瞬间读出相同的时间。研究人员利用光来选择性地启用和测量这些瞬间同步的原子云之间的相互作用。总的来说，使用一条由18个原子云组成的直线，研究人员可以在这条直线上任意一组距离的云层之间产生相互作用。

Schleier Smith补充道：“产生和控制这些非局部相互作用的能力是强大的。”。“它从根本上改变了信息传播的方式和我们可以设计的量子系统。”

受益于多功能控制

斯坦福研究小组工作的许多应用之一是为量子计算机机器设计优化算法，这些计算机依赖于量子力学定律来处理数字。量子计算在人工智能、机器学习、网络安全、金融建模、药物开发、气候变化预测、物流和调度优化等方面有着广泛的应用。例如，量子计算机定制的算法可以有效地解决排课问题，通过找到最短的可能的送货路线，或者优化大学课程的时间安排，从而使最多的学生能够参加。

另一个非常有前途的应用是检验量子引力理论。在这项研究中，树状的形状是专门为这个目的而设计的，它们作为时空的基本模型，由一个基于量子力学原理的假设的新引力概念所弯曲，这将改变我们对爱因斯坦相对论中描述的引力的理解。类似的方法也可以用于研究光捕获，超致密的宇宙物体称为黑洞。

Schleier-Smith和他的同事们现在正致力于证明他们的实验能够产生量子纠缠，其中量子态原子它们之间的关联方式可以用于从超精密传感器到量子计算的应用。

施莱尔·史密斯说：“我们在这项研究上取得了很大进展，我们正在寻求在这项研究的基础上再接再厉。“我们的工作展示了一种新的控制水平，可以帮助弥合物理学的几个领域中优雅的理论思想和实际实验之间的差距。”