@ 2017.05.15 , 15:00

量子逻辑控制带电分子

美国国家标准技术研究所(NIST)的物理学家解决了看起来不可能完成的任务,利用驱动NIST的实验原子钟一样的“量子逻辑”,实现了对单个带电分子量子性质的控制。

新技术达成了超难的目标,它控制分子就如同激光冷却等技术控制原子一样牛逼。原子的量子控制彻底改革了原子物理,催生了类似原子钟等应用。但由于比原子更为复杂,激光制冷和分子控制仍然具有很强的挑战性。

该技术也使用了激光,但只是轻轻地探测分子,即间接地检测分子所处的量子态。这种分子离子(多个原子集合在一起并带电)的控制能引出量子信息处理中的更复杂的结构,放大基础物理研究中的信号,比如测量电子外形的圆度,化学反应的增压控制。

量子逻辑控制带电分子
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该研究已发表在5月11日的自然杂志上,并在NIST Boulder组上进行了演示,该小组首次在1987年演示了原子离子的激光冷却。

NIST物理学家JamesChin-WenChou说道:“我们提出了一种可应用于多种类型分子的方法。你能在原子离子上玩的姿势,现在也能在分子离子上玩了。现在分子将会听从您的指示:‘主人,您想要我做什么呢?’”

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他还补充道:“这能与科学家第一次发现能激光冷却并困住原子的发现相媲美了,打开了精密度量和信息处理方面应用的闸门,这是我们一直以来的梦想。”

相比原子,由于分子的结构更加复杂,包含了许多电子能级、振动和旋转,因此更加难以控制。分子可以由不同数量的原子以不同姿势组合而成,最大可跟DNA链差不多,一米多长。

该方法把分子离子的信息转移到另一个离子(一个原子离子)上,而原子离子可以用前述的激光冷却手段来控制,由此就能获悉分子离子所处的量子态(电子能级、振动态和旋转态)。受到NIST的量子逻辑钟想法的启发,研究者试图操纵分子离子,如果能成,就能试着协调离子对的运动。研究者仔细选择了操作方法,使得只会触发特定状态分子的运动。 运动触发与否(意味着分子是否处于特定量子态)最终会通过原子离子发出信号。这一技术十分温和,可以在不摧毁分子量子状态的条件下指示出分子的量子态。

资深作者Dietrich Leibfried说道:“只有处于适当状态的分子才会摇动。原子会感受到这种摇动并将其转换为我们能观测到的光信号。这类似于盲文,能让人们摸到所写的内容。我们也能感觉到分子的状态,而不是直接看到,原子离子就是我们的显微手指。此外,可直接将这一技术原封不动应用于更大量的分子。这也是NIST的基础任务之一,即开发精确度量工具,让其他人也能用。”

为了进行该实验,NIST研究者清除了老旧运作设备,包括在2004年量子隐形传输实验中使用的离子阱,还借用了同个实验室正在进行的量子逻辑钟的激光设备。

研究者在室温的高真空箱内控制了两个钙离子,令其间距为百万分之一米。在真空室内释放氢气直到一个钙离子反应形成氢化钙CaH+分子离子。

类似于弹簧连接的钟摆,由于物理上十分接近和两者之间的电荷排斥作用,两个离子的运动相互关联。研究者利用激光冷却原子离子,从而将分子冷却至低能量状态。在室温下,分子离子将处于最低的电子和振动状态,但仍保持旋转状态。

研究者然后施加红外激光脉冲(这个波段能避免改变离子的电子能级和振动态),驱使分子离子发生旋转态跃迁,但只能从100多种可能的旋转态中的一个特定态跃迁到另一个特定态。如果发生了跃迁,双离子运动系统中就会增加一量子的能量。研究者然后施加额外的激光脉冲将运动系统中的变化转换为原子离子内部能级的变化。原子离子就会开始散射光(译注:即一定波长的光入射,另一个波长的光出射),表明分子离子的量子态发生了变化,变化后现正处于所需要的目标量子态。

随后,研究者还能用激光使原子离子发生受激跃迁,把入射光与出射光的角动量之差转移到离子上,从而把分子的旋转态扭转到我们想要的方向上。

这一新技术有广阔的应用前景。其他在JILA的NIST科学家先前曾利用激光以特定的方式操纵特殊带电分子云,但这项新技术可用于操控多种不同类型的大型分子离子。

Chou说道,分子离子相比原子离子提供了更多存储和转换量子信息的选择。例如,分子离子提供了更多的功能,能将量子信息分布到不同类型的硬件中,比如超导元件。

这一理论还可用于回答更深层次的物理学问题,比如自然界的基础常数是否会随时间改变。研究者已经鉴定氢化钙分子离子可能可以回答这一问题。此外,为了测量电子的电偶极矩(表征粒子电荷分布圆度的量),同时精确控制数百个粒子所有方面的能力将能增强科学家预期测量信号的强度。

论文原文:doi:10.1038/nature22338

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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