http://www.physorg.com/news/2011-02-quantum-hot-potato-entice-atoms.html
February 23, 2011
在 NIST 的物理學家首度誘使分處二地的原子輪番前後搖晃（jiggling）同時交換能測到的最小單位能量。透過直接連接兩物理上分離之原子的運動，此技術有潛力簡化未來量子電腦與模擬的資訊處理。
被描述在 Nature 於 2/23 所出版的一篇論文中，這項 NIST 實驗在電磁阱中誘使二個鈹離子（帶電原子）輪番振動、交換單位能量（units of energy），或量子（quanta，譯註：quantum 複數形），那是量子力學的正字標記。像一個量子這麼小的就在這些互換（exchanges）中被前後交換（traded），意味這些離子是「耦合」或連在一起的。這些離子也表現像是在日常世界中的更大物體，亦即類似擺子（pendulum）與音叉那樣的「諧振子（harmonic oscillators）」，會做出反復的前後運動。
"首先有個離子晃一下，而另一個不再移動；接著晃動換到另一個離子上。你能見到的最小能量或許就是二離子間的運動，" 第一作者，NIST 的博士後研究員 Kenton Brown 解釋。"我們也能調整這種耦合，那影響它們交換能量的速度有多快以及到何種程度。我們能將這種交互作用開啟及關閉。"
這些實驗之所以成為可能，是靠一種新奇的單層離子阱，那在液態氦浴中被冷卻到攝氏零下 269 度。二個相間 40 微米的離子，飄浮在離子阱的表面上。與傳統的雙層離子阱相較，表面阱（surface trap）具有小電極，能使離子更靠近一點，讓耦合更強烈。冷卻到超低溫度，則可抑制擾亂離子行為的無用之熱。
能量交換示範始於以雷射減緩二離子的運動，進而冷卻它們。接著以二具相對的紫外光雷射光束，使其中一個離子進一步冷卻至靜止狀態。接下來，藉由調整阱電極的電壓使耦合交互作用被「開啟」。在 Nature 中報告的另一項實驗裡，NIST 研究者在每 155 微秒幾個量子的層次上，以及頻率較低的、每 218 微秒單一個量子的層次上，測量離子交換能量。理論上，離子能無限制地交換能量一直到此過程被加熱所擾亂。NIST 科學家在單個量子的層次上觀察到二輪交換。
為了偵測與測量離子的活動，NIST 科學家以不同頻率施加一振盪脈衝到離子阱上，同時以紫外光雷射照射二個離子，然後分析散射的光。每個離子有它自己的特性振盪頻率；受激時，運動會減少雷射光被吸收的量。散射光變暗，告訴科學家某個離子在一特殊脈衝頻率下振動。
為了開啟耦合交互作用，科學家使用電極電壓來調整二離子的頻率，輕推它們使其靠得更近。當頻率最接近時耦合最強烈。由於帶正電離子的靜電交互作用（它們會互斥），運動變得連貫起來。耦合透過每個離子的特徵頻率使二者產生關聯。
新實驗與相同一組 NIST 研究小組在 2009 年的糾結（entanglement，一種連結分離粒子特性的量子現象）示範類似，那在一機械系統中有二個分離的振動離子對（詳見：http://www.physorg.com/news163253992.html）。然而，這些新實驗以較先前更直接的方式耦合振子的運動，因此也許能簡化資訊處理。在此例中，研究者觀察到量子行為但未驗證糾結。
這項新技術在未來的量子電腦中可能有用，那會使用像離子那樣的量子系統來解決今日的棘手問題。例如，量子電腦能破解今日最廣泛使用的資料加密編碼。在不同地點直接耦合離子能簡化邏輯操作並幫助校正處理錯誤。此技術也是量子模擬（quantum simulations）的特色提議之一，那也許能幫助解釋複雜量子系統（例如高溫超導體）的機制。
此外，這項示範也指出，類似的交互作用可用來連接不同類型的量子系統，例如一個陷住的離子以及一個光子，以便在未來的量子網路傳輸資訊。例如，一個受陷離子可充當超導量子位元（qubit）與光子量子位元間的「量子轉換器（quantum transformer）」。
※ 相關報導：
＊ Coupled quantized mechanical oscillators
http://dx.doi.org/10.1038/nature09721
K. R. Brown, C. Ospelkaus, Y. Colombe, A. C. Wilson,＊ 應用到大型物體運動的量子力學理論
D. Leibfried, D. J. Wineland
Nature (23 February 2011)
doi: 10.1038/nature09721
＊ 控制光與物質間的交互作用
＊ 量子電腦：在微晶片上傳遞量子資訊的量子天線
＊ 在矽當中達成 100 億位元的量子糾結
沒有留言:
張貼留言