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中国学者领衔：新型“原子胶水”亮相Science，量子设备性能提升在望

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发布时间：2024-05-13
 
物理学家开发了一种新方法，使原子在光的影响下能够协调地结合在一起。这项研究由位于科罗拉多州博尔德市的JILA团队进行，团队由James K. Thompson领导，第一作者为来自中山大学物理学院的中国学者罗程祎（Chengyi Luo）。
 
为了理解这项研究的重要性，可以想象一场“原子台球游戏”。在量子世界中，原子既表现为粒子也表现为波，像池塘中的涟漪一样扩散和叠加。当两个台球相撞时，它们会四散开来，难以再次相遇。但如果在撞击后，能够用一根隐形的弹簧将它们绑定，虽然它们仍然会在球台上移动，却始终相连，并最终将彼此拉回——这正是JILA团队利用原子所实现的效果。
 
 
在他们在《科学》杂志发表的研究中，研究人员将一群铷原子冷却至接近绝对零度。在这样的极低温度下，原子变得静止，其量子波动性成为主要表现。利用激光，研究团队激发了原子的波动，使每个原子分裂为两种动量状态的叠加，如同两个波纹朝相反方向扩展。
 
通常这样的原子波会逐渐散开，但此时“原子胶水”（atomic glue）发挥了关键作用。关键在于特制的真空室，这是一个内壁装有反射镜的光学腔体。研究小组使用名为“缀饰激光”（dressing laser）的设备照射腔体，产生一种量子光（quantum trampoline light），这种光在反射镜间不断弹跳，与原子反复互动。
 
这里的神奇之处在于，当一个原子波释放一个光子时，它会向某一方向推进。但由于光学腔的存在，这个光子更可能被另一个原子吸收，从而产生相反的推力。这种通过光传递的“烫手山芋”效应限制了原子的移动，最终使得动量相反的原子不断进行力的交换，形成了一种量子级的“广场舞”。
 
 
光腔内的原子通过与光子“捉迷藏”来交换其动量状态。当原子吸收激光发出的光子时，整个原子云而不是单个原子会发生反冲（recoil）
 
原子同步运动的影响可能非常深远。在传统的原子传感器中，比如用于导航GPS卫星和探测地下资源的传感器，原子的最终漂移限制了测量精度。
 
研究人员以一个形象的比喻解释这一点：假设让一群学生站在彼此的肩上测量他们的平均身高。如果学生们开始摇晃并独立行动，测量结果将大打折扣。相反，如果这些学生（比喻中的原子）被绑在一起，他们作为一个整体移动，极大地降低了测量的不确定性，从而提高了结果的精确度。JILA团队展示了他们的“原子胶水”能使原子保持结合状态的时间长达平常的十倍。
 
罗程祎补充说：“密度光栅的形成显示，原子内部的两种动量状态保持了相干，并能够相互干涉。”
 
研究人员发现，原子间的光子交换导致两个原子的波包结合，使得它们不再是独立的测量单位。通过探索密度光栅与光腔的相互作用，研究人员可以诱导动量的交换。因为原子会交换能量，吸收光子产生的反冲力将分散到整个原子群，而不是单一粒子上。
 
利用这种新的控制方法，研究人员还发现他们能够利用反冲（recoil）阻尼系统解决多普勒频移的测量问题。多普勒频移，一种经典物理学现象，解释了为何一个移动的声源（如警笛或火车）的音调会在接近或远离观察者时发生变化，或为何某些恒星在夜空中显示为红色或蓝色——这是波源与观察者相对运动引起的频率变化。在量子物理学中，多普勒频移描述了由于相对运动导致粒子能量的变化。
 
罗程祎指出，克服由吸收光子引起的多普勒频移是精确光谱学面临的一大挑战。通过他们的新方法，研究人员发现可以有效地克服这种频移导致的测量误差。
 
此外，研究人员还发现了一种名为“量子多体伤痕”（quantum many-body scarring）的罕见量子行为。通常情况下，当多个量子粒子相互作用时，它们的波动以复杂的方式纠缠在一起，就像一碗意大利面条。然而，在某些情况下，这些粒子可以迅速形成简单、可预测的模式，就像量子意大利面条完美地平行排列。这种有序行为不仅清晰如激光束划过雾中，而且为生成稳健、容错的量子比特提供了可能，这对于实用量子计算的发展是至关重要的一步。当前的量子比特非常脆弱，但基于这种原子波的量子比特可能具有更长的一致性，从而为实用量子计算技术的发展奠定基础。
 
动量交换相互作用
 
调制边带和单轴扭曲动态
 
退相干和能隙保护
 
将波包绑定在一起
 
总的来说，JILA的研究提供了一种探索奇异物质状态的有力工具。通过精细调控原子系统，研究人员能够模拟这些复杂的材料，开辟寻找室温超导体和其他难以寻找的量子宝藏的新路径。这一成就有望为超精密传感器和功能强大的量子计算机等量子技术的前沿进展敞开大门。展望未来，研究人员计划进一步探索这种新形式的量子纠缠，并希望更好地理解如何利用它来优化各种类型的量子设备。
 
在追寻这些科学线索的过程中，有一点是确凿无疑的：在量子物理的奇妙世界中，原子之间的合作能发挥出巨大的力量。随着原子们在同一量子鼓点下同步前进，量子技术的未来展望比以往任何时候都要光明。
 
来源：
[1]https://studyfinds.org/bind-matter-waves-atomic-glue/
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/H-HreYeU_ttGyZY4GI60wA
[3]https://phys.org/news/2024-04-photons-cavity.html
 
 

 

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