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量子计算

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里德伯格物理学的兴起

07 Apr 2016
摘自2016年4月期《物理世界》

如果原子物理学迅速发展的领域继续取得成功,那么未来的量子计算机可以通过激发原子的能量跃迁甚至是纯光来运行。 基思·库珀

陷入陷阱

对于追逐量子计算圣杯的物理学家来说,一种美味的食谱正变得越来越普遍。将少量原子(–是一种受欢迎的成分)撒入真空室中。用激光束处理,将原子冷却至零以上绝对零度的分数。然后添加几个光子,然后嘿,您已经创建了量子计算机的基本构建块之一。

至少,“这是基本思想”,美国威斯康星大学麦迪逊分校的原子物理学家Mark Saffman说。所有这些原子的中心都是雷德堡原子,它具有单个外价电子,可以激发到更高的量子态。他们是原子世界的大爸爸。通常,原子核的大小为飞秒级,但在里德堡原子中,激发的价电子可以从原子核中传播出去,而仍然与原子核结合,从而使原子半径膨胀十亿倍。如此大的范围,里德堡原子可以通过强大的电偶极矩与附近的其他原子相互作用,其相互作用力比后者高一百万倍。“ordinary” atoms. It’s this 在 teractive power – and the ability to 控制 it with a single, carefully chosen photon – that makes Rydberg atoms such a potent force 在 the world of quantum 在 formation systems.

网关技术

At the heart of any computer – digital or quantum – are logic gates. A quantum computer works at the atomic scale, where quantum mechanics reigns, meaning the logic gates must also be built out of atoms. A NOT gate, for example, has a single 在 put and two states, 0 and 1, but for the gate to work it requires that the atoms not just 在 teract, but that the 在 teraction is 控制led. The electric dipole strength of Rydberg atoms and our ability to 控制 their excitation makes them perfect for quantum logic gates.

2010年,威斯康星州的Saffman和他的同事展示了使用两个中性rub原子构建逻辑门的能力,并补充了由菲利普·格兰吉尔(Philippe Grangier)在巴黎附近的光学研究所(Institut d’Optique)领导的团队进行的工作。 NOT门的量子版本是Controled-NOT或CNOT门,其中the原子本身是量子位-或“qubits”–信息。一个被标记“control”, and the other “target”. In their ground state, which sports various hyperfine states that hold the quantum 在 formation, the atoms don’t 在 teract – the four microns separating them might as well be an 在 finity. However, by exciting the 控制 atom 在 to the Rydberg state by firing a resonant photon at it that gets absorbed, the valence electron rises to a higher energy level, extending its reach sufficiently to permit an 在 teraction with the 目标 atom, “flipping”并允许CNOT门运行。“By using the laser to excite the 控制 atom, we can turn 上 the 在 teraction and perform our logic gate, before returning the atoms to the ground state,” says Saffman.

先前的实验使用离子来创建CNOT栅极,但是离子的问题在于,带电时,没有简单的方法可以关闭它们的相互作用,这限制了可以组合成一个稳定量子位的数量。但是,中性里德堡原子不会面临这个问题。这并不是说Rydberg原子是一个新的发展-自1800年代末以来就广为人知。真正推动了里德伯格物理学发展的是激光陷波和冷却技术的出现,为此,史蒂文·朱,克劳德·科恩-坦努吉和威廉·菲利普斯于1997年获得了诺贝尔物理学奖。单个原子使用的光为里德堡原子开辟了新的应用领域。

明显转移

激光可以用来创建一个“optical dipole trap”可以将原子保持和冷却到微绝对绝对值以上的微开​​尔文,在某些情况下甚至可以降至纳米开尔文。通过纵横交错的激光器,该方法可以扩展为2D或3D光学晶格。激光被调谐到与原子共振频率不同的颜色,以避免原子吸收任何光子(这将使它们的能量跳出陷阱)。在这一点上,一种被称为“斯塔克效应”的现象开始发挥作用,该现象是原子的能级响应于交流电电场而发生的变化,如电磁波产生的那样。对于基态原子,能级转换为稍低的能量。激光束中最强的部分,即它们在晶格中交叉的位置,然后成为势阱,原子被俘获,因为在这里,它们经历了最大的位移并损失了最多的能量(图1)。

一旦被俘获,原子便可以通过在其上发射共振频率的光子而激发到里德堡态。问题是,共振光子的能量会使原子从陷阱中冲出,因此一直在寻找“magic wavelengths”可以同时俘获和激发一个原子。 2015年,在美国马里兰大学联合量子研究所的物理学家Trey Porto领导下的一个小组利用原子物理学家近十年的工作成果的基础上,他们发现了atoms原子的神奇频率,该频率同时将其捕获在两个不同的量子态中,具有主要的量子数 n = 5 and n = 18 (物理版本A 91 032518)。换句话说,他们可以兴奋到里德堡状态为18s,其中激发电子在18s 轨道,同时保留在陷阱中。这个神奇的波长对应于大约1064 nm的红外波长。通过运气的纯净,这就是Nd:YAG激光产生的波长,大多数物理学家无论如何都使用它,因为它提供了一些最便宜的激光功率。当您需要大量功能而又不会破坏物理部门时,这一点尤其重要。

“确实,我们偷偷摸摸,选择了一种可以捕捉我们感兴趣的里德堡州和基州的光色,”波尔图小组成员之一的物理学家伊丽莎白·戈德施密特(Elizabeth Goldschmidt)说,他现在位于马里兰州的美国陆军研究实验室。

尽管波尔图的团队兴奋了18达18s, it was 上 ly a start. To get to higher quantum numbers – which results 在 stronger 在 teractions across greater distances between atoms as well as extending the lifetime spent 在 the excited state – you need shorter and shorter 魔术波长. Lasers that emit these shorter wavelengths are not as widely available as 1064 nm lasers and, at the highest frequencies, they can become cost-prohibitive. Nevertheless, the 魔术波长 are a huge advance for physicists such as Saffman. “He traps 在 dividual atoms and gets them to 在 teract 在 gates, so he cares more about finding their 魔术波长,” says Goldschmidt.

So far so good, but 魔术波长 and Rydberg excitation are not enough 上 their own to make a quantum computer. What’s missing is the quantum aspect that allows a qubit to exist 在 many states at 上 ce, as opposed to binary bits that can 上 ly be 在 上 e of two states. In Rydberg physics, this quantum aspect is provided through entanglement.

“纠缠是给您带来比传统计算机所能提供的更多的东西,”英国达勒姆大学联合量子中心的物理学家查尔斯·亚当斯(Charles Adams)解释说。纠缠是由里德堡原子与它们周围其他未激发原子的相互作用产生的。本质上,Saffman的CNOT门是纠缠机,门的效率取决于“fidelity”纠缠的次数,即纠缠逻辑门与尝试总数相比获得的成功计算量。

Running the 封锁

When the atoms are the 量子比特, the photon’s role is simply to excite the atoms 在 to their Rydberg states. However, Adams, among others, has been chasing a slightly different prize: a quantum computer made of light.

In such a device, rather than the atoms being the 量子比特, the photons would act as the 量子比特 在 stead. Immediately there’s a potential showstopper. Photons, being massless particles, don’t 在 teract with 上 e another and so ordinarily cannot create logic gates. Expose them to Rydberg atoms, however, and the game changes, allowing physicists to create exotic photonic states and even “molecules” of light.

多亏了里德堡原子的天性,这一切都有可能。聚集一束close原子(或锶,铯,钠或任何您喜欢的中性原子),冷却它们并发送光子。一个原子被激发到里德堡态并与周围的其他原子相互作用,从而改变其能级。因此,当第二个相同的光子被发送到“Rydberg ensemble”,发现它们的共振频率突然失调,无法激发它们。本质上,里德堡原子“blockade”由直径为10μm的第二个光子产生其他里德堡原子的过程。

但是,对于第二个光子,这是个好消息。“这意味着第二个光子对介质的光学响应不同-实际上它可以看到不同的折射率-因此,第二个光子对第二个光子的行为与第一个不同,”亚当斯说。只要两个光子具有相同的频率,id云对第二个光子就变得透明,这种效应称为“电磁感应的透明度”。通常,第二个光子会向前方运动,但是the云的折射率会发生变化,以使第二个光子保持与第一个光子激发的Rydberg团接近。

As the atoms excited by the first photon return to the ground state after a few microseconds, then not 上 ly can the first photon continue 上 its way, but the second photon is also free to form its own 雷德伯格合奏, putting a 封锁 上 the first photon. In this fashion, the two photons push and pull each other through the rubidium cloud at about 400 m/s, until they emerge together, quantum entangled and seemingly bound like a molecule.

In this situation, the photons and Rydberg atoms become strongly coupled, says Mikhail Lukin of Harvard University, US. He co-created the 封锁 technique 在 cold atoms 在 2001 along with his colleagues Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac and Peter Zoller, and was also the first to use 封锁s to create these Rydberg-enhanced 分子 of light 在 2012 along with Vladan Vuletić of the Massachusetts Institute of Technology, US.

“耦合意味着它们本质上形成了一个新的称为极化子的准粒子,它是一部分光和一部分原子,”卢金解释。极化子的原子一半充当光子的制动器,因此原子激发越大,光子通过the的传播速度就越慢。卢金(Lukin)和弗莱蒂奇(Vuletić)现在正在用两个以上的光子重复该实验。

这些光子-光子的相互作用从根本上不同于光的正常行为,它们为将纠缠的光子用作量子计算机的电路打开了大门。戈德施密特说,但是原子逻辑门还没有被排除在外。她认为相互作用光子的光学逻辑门将更好地应用于量子模拟,而不是量子计算本身。

顾名思义,量子模拟器可以模拟复杂的系统,而不是对其进行计算。本质上,它是计算机化多体模拟的量子版本,旨在解决特定问题。“在量子模拟中,您在量子系统的许多主体之间进行交互,因此您可以模拟其他一些多主体的量子系统,而无需尝试使用特定的门来实现代码,” says Goldschmidt.

桌面设备

研究Rydberg物理学的研究人员的主要目标是,无论Rydberg原子本身将是量子信息系统的电路,还是由Rydberg原子促进的光子发挥这一作用。他们的目标是推动对这些逻辑门进行更高保真度的操作,以提高其输出质量并提供内部错误校正。 Lukin认为,最好的前进方法是混合系统,其中Rydberg原子和光子相互作用都参与信息处理。

“我们的方法有趣的是,它使我们能够利用两全其美的优势,” he says. “For computing, you might want to store 量子比特 using atoms, but to communicate between the stored 量子比特, you actually would like to use photons.”

亚当斯走得更远,他推测量子计算机和模拟器有一天将如何成为台式机,而不是通过将它们的原子冷却到难以置信的严寒温度(包括大型设备和大量功率),而是通过在室温下运行来实现。达勒姆(Adam Durham)的亚当斯(Adams)和他的同事对里德伯格原子进行了实验。“hot”蒸气的温度高达50°C,但问题是在温暖,高能的原子中发生了布朗运动。由于光子以波的形式存储在介质中,因此该运动会破坏相位信息,这意味着无法检索光子量子位。尽管如此,如果可以克服这一挑战和其他挑战,那么亚当斯建议,有可能建立一个量子计算机,在该计算机中,由里德伯格封锁过程产生的虚拟气泡中存储的光子会介导形成光闸的相互作用。“但是,我们仍然不知道如何做这种集成的全光电路,” he says.

就量子计算机而言,里德伯格物理学并不是唯一的游戏。截留的离子,超导体,钻石和玻色-爱因斯坦凝聚物是量子冠的竞争者。但是里德伯格原子也有其他用途。例如,通过选择特定共振频率(如太赫兹或微波)的里德堡系综,它可以充当复杂的传感器,在拾取这些场时产生光输出。 Rydberg封锁造成的光子-光子相互作用甚至可能导致被认为是晶体或液体的奇异状态的光,其中相互作用将光子聚集在一起,看起来像光剑。

“在过去十年中,里德伯格物理学的发展势头迅猛,” says Adams. “现在几乎到处都有小组在做这方面的工作。”考虑到成分是宇宙中最简单的物质:原子和光子,莱德伯格物理学所能完成的工作非常了不起。

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