Only Perception: 首度以微波達成二原子的量子糾結

2011-08-11

首度以微波達成二原子的量子糾結

Two atoms entangled using microwaves for the first time
http://www.physorg.com/news/2011-08-atoms-entangled-microwaves.html

August 10, 2011

NIST 物理學家首度以微波而非平常用的雷射來操縱二分離離子（帶電荷的原子），藉此連接其量子特性，這指出一個稀奇的、房間般大小的量子運算「laser park」有可能以微型化的、商業化的微波技術（類似智慧型手機所用的）取而代之。

微波，無限通訊的載體，曾在過去的實驗中被用來操縱單個離子。不過 NIST 小組卻是第一個將微波源放置的與離子夠接近（只離 30 微米）並創造出使量子糾結（entanglement）成為可能的條件的小組。量子糾結是一種量子現象，預期對量子電腦中的資訊傳輸及錯誤校正至關緊要。

在 8/11 當期的 Nature 期刊上，這些實驗直接將微波源整合到晶片大小的離子阱（ion trap）並使用桌上型雷射、鏡子以及透鏡，其空間約只有先前所需要的十分之一。仍需要低功率的紫外線雷射，使離子冷卻並觀察實驗結果，不過最終也許能製成如可攜式 DVD 播放器一般的大小。相較於複雜、昂貴的雷射源，微波元件能更輕易地擴充與升級，藉此建造出由數千離子構成的實用系統以進行量子運算與模擬。

"可以想像，一部適中尺寸的量子電腦最終看起來可能像一支與雷射指示器般裝置結合在一起的智慧型手機，而精密（度高）的機器也許所佔面積（overall footprint）也許與一般桌上型 PC 相當，" NIST 物理學家 Dietrich Leibfried 表示，這篇新論文的共同作者。

"雖然量子電腦仍不被視為每個人都想帶著到處跑的便利性裝置，不過它們能使用智慧型手機所用的微波電子產品。這些元件已被開發成適合大眾市場，藉此支持創新並減少成本。前景令我們振奮。"

量子電腦能駕馭不尋常的量子物理學規則以解決某些問題 -- 例如破解今日最廣泛使用的資料加密編碼 -- 那目前就算是利用超級電腦都很難搞（intractable）。短期目標是設計重要科學問題的量子模擬，藉此探索量子之謎，例如高溫超導性。

離子為量子電腦中用以容納資訊之量子位元（qubits）的首選。雖然其他有希望的 qubits 候選者 -- 特別是超導電路或「人造原子（artificial atoms）」 -- 都在晶片上以微波操縱，不過在實驗上，離子 qubits 則在一個更先進的階段，在其中更多離子能更精確地受到控制且喪失更少的資訊。

同樣的 NIST 研究小組先前使用離子與雷射來證明量子電腦所需的基本元件與過程。在這項最新實驗中，NIST 團隊使用微波來選轉個別鎂離子的的「自旋」並使一對離子的自旋糾結。這是一種「普適性」的量子邏輯運算（quantum logic operations），因為旋轉與糾結能依序結合以完成任何量子力學所允許的計算， Leibfried 說。

在這項實驗中，二個離子由電磁場維持，盤旋在離子阱晶片上，那由電鍍在氮化鋁基底上的金電極所組成。某些電極被活化以繞著離子創造出振盪微波輻射脈衝。輻射頻率落於 1 - 1 GHz 的範圍。微波所產生的磁場被用來旋轉離子的自旋，那可以想像成微小的磁鐵棒指向不同方向。這些微小磁棒的方向是用來代表資訊的其中一種量子特性。

科學家採用一種他們先前為雷射開發的技術藉此使離子糾結。若微波的磁場在離子間以正確方式逐步增加，那麼離子的運動可視其自旋方向而受刺激，而自旋能在此過程中變成糾結狀態。科學家得在三個電極中找到正確的設置組合，那在離子運動的範圍內提供最適當的振盪磁場變換，且將其他不要的效應最小化。糾結離子的特性受到連結，例如測量其中一個離子將揭露另一個的狀態。

微波的使用減少了雷射光束指向（pointing）與雷射功率中的不穩定性以及雷射誘發之離子自發發射（spontaneous emissions）所引發的錯誤。然而，微波運算需要改善，才能使實用的量子運算或模擬成為可能。NIST 研究者在研究中達成 76% 的量子糾結，比定義量子特性開始的最小閾值，50%，要好，不過仍無法與最佳的雷射控制運算所擁有的 99.3% 相比。

除了藉由減少不需要的離子運動以改善微波運算之外，NIST 團隊也計畫研究如何抑制在相同晶片上不同資訊處理區域間所產生的串音（cross-talk）。例如，邏輯運算以及其他鄰近 qubits 的控制能使用不同的頻率。如果不想要的熱能被抑制，那麼根據這篇論文，阱愈小能使運算愈快。

※ 相關報導：

＊ Microwave quantum logic gates for trapped ions
http://www.nature.com/nature/journal/v476/n7359/full/nature10290.html

C. Ospelkaus, U. Warring, Y. Colombe, K. R. Brown,
J. M. Amini, D. Leibfried, D. J. Wineland
Nature 476, 181–184 (11 August 2011)
doi: 10.1038/nature10290