如何實現兩(liang) 個(ge) 異核原子的量子糾纏？對於(yu) 量子計算、量子科學的發展將起到怎樣的推動作用？科技日報記者帶著這些問題采訪了詹明生研究團隊。
 

很有希望的“冷原子”

人類對物質世界的認識，從(cong) 地球到太空，從(cong) 宏觀到微觀。量子力學就是描述微觀物質的理論。中國科學院武漢物理與(yu) 數學研究所副研究員何曉東(dong) 介紹說：從(cong) 簡單的激光筆到手機到電腦，這些受量子力學支配的微觀粒子，比如光子或者電子，可以在宏觀上產(chan) 生有用的效果，如激光、半導體(ti) 等。

然而量子力學的威力不僅(jin) 限於(yu) 此，當它與(yu) 計算這種操作相結合之後，將產(chan) 生一種新的計算方式——量子計算。經典計算機的單元是比特，量子計算的基礎是量子比特。有科學家把量子比特比作“海邊一幅精美的沙畫，一個(ge) 浪打過就沒了”。科學家們(men) 競相尋找方法，試圖將量子體(ti) 係盡量和環境隔絕以延長被浪打沒的時間，但要操縱它又必須要與(yu) 它發生作用。如何做到完美地操縱和隔離是對實驗者技術的考驗。

單離子、核磁共振、光子、冷原子、固體(ti) 量子點，以及最近很受工業(ye) 界重視的超導電路，這些都是世界各地的科學家們(men) 正在努力實現量子比特的方向。

中國科學院武漢物理與(yu) 數學研究所副研究員許鵬說：“我們(men) 選擇的是極具挑戰也是很有希望的‘冷原子’。”通常一個(ge) 原子的直徑在0.05納米和0.5納米之間，對於(yu) 這樣一種比頭發絲(si) 直徑還小幾千幾萬(wan) 倍的物體(ti) ，甚至連世界上最精密的光學顯微鏡都無法直接觀測，如何抓住它，又任意地操縱它呢？
 

十年隻為(wei) “抓住”單原子

“十年來，我們(men) 一直在做這一件事情——單原子的量子操控。”許鵬說。

捕獲單原子的兩(liang) 種方式，一是采用掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡等在固體(ti) 表麵捕獲並操縱單個(ge) 原子，這樣的單原子還會(hui) 與(yu) 表麵物質有強的相互作用。另一種方法則是采用激光冷卻並捕獲氣相中的單個(ge) 原子。團隊采用的是後麵一種方法。

激光將原子減速冷卻下來，但要想抓住單個(ge) 原子，需要好幾種技術的配合。首先是將原子囚禁在由特定梯度磁場與(yu) 偏振激光相結合的磁光阱中。但這種磁光阱中囚禁下來的原子數目比較多，可以達到1010（和全世界人口差不多），溫度在100微開左右（就比絕對零度高萬(wan) 分之一度）。

對於(yu) 單原子研究來說，這麽(me) 多原子實在是太多了，怎樣才能做到“弱水三千，隻取一瓢”呢？有一種很簡單的方法：做一個(ge) 超級小的阱，小到僅(jin) 能容納一個(ge) 原子。法國科學家在2001年將一束遠紅失諧的激光聚焦到焦點半徑小於(yu) 1微米時，在焦點處就形成了一個(ge) 這樣的光偶極阱。

把這樣一個(ge) 阱放到磁光阱中後，科學家就像挖了陷阱的獵人一樣等待：當有一個(ge) 原子掉到光阱中時，磁光阱立刻關(guan) 閉，停止向光阱中繼續裝原子，這樣就完成了單原子的捕獲。而對於(yu) 不同種類單原子的捕獲，詹明生研究團隊則創造性地發展了一種反饋控製方法，在兩(liang) 個(ge) 獨立的光阱中確定性地囚禁了一個(ge) 銣-87原子和一個(ge) 異核的銣-85原子，然後用不同的激光分別對兩(liang) 個(ge) 原子進行內(nei) 態的操控，實現了對單個(ge) 原子的尋址及完備操控。
 

如同200年前的“蒸汽火車”

量子糾纏是指兩(liang) 個(ge) （或多個(ge) ）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個(ge) 粒子必然會(hui) 影響其它粒子，也被稱為(wei) “量子力學非定域性”。

理論推測，不同種類粒子之間的量子糾纏應該廣泛存在於(yu) 各種量子複合體(ti) 係之中，然而在實驗上操控兩(liang) 個(ge) 粒子並實現不同種類粒子的量子糾纏並不容易，之前隻在兩(liang) 個(ge) 離子之間做到過。

詹明生解釋說，與(yu) 離子不同，中性冷原子體(ti) 係在模擬和理解強關(guan) 聯的多體(ti) 相互作用、分數量子霍爾態及多自旋相互作用、量子信息比特擴展等重要問題中有獨特優(you) 勢。但因為(wei) 原子之間的相互作用弱，操控不同種類原子間的確定性糾纏存在極大挑戰。

詹明生表示，此次研究在國際上首次實現了異核原子間的量子受控非門和量子糾纏。該工作不僅(jin) 展示了異核體(ti) 係在尋址和抑製原子間操作串擾方麵的優(you) 勢，而且開啟了多組份相互作用體(ti) 係量子操控的大門。

量子科學家們(men) 相信“冷原子”就像一把打開量子世界寶庫的鑰匙，並且在寶庫的深處，會(hui) 隱藏著更多的鑰匙和無窮無盡的寶庫。詹明生告訴科技日報記者：他們(men) 的研究工作隻是在這一領域邁出的一小步，就如同200年前的“蒸汽火車”，離“高鐵”的誕生還有很遠的距離。相信隨著研究的深入，中國的量子科學家為(wei) 人類量子科學的發展會(hui) 作出更大的貢獻。（記者 劉誌偉(wei) ）