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來(lái)自俄科學(xué)院西伯利亞分院網(wǎng)站的報(bào)道，該分院半導(dǎo)體物理所與國(guó)立新西伯利亞大學(xué)、國(guó)立新西伯利亞技術(shù)大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)采用光鑷子成功捕捉銣元素單原子并約束40秒，并采用長(zhǎng)焦鏡頭相機(jī)對(duì)約束原子進(jìn)行了拍照。所獲階段性研究成果在量子計(jì)算機(jī)研發(fā)領(lǐng)域具有重要的意義，相關(guān)成果發(fā)布在學(xué)術(shù)期刊“量子電子”上。
科研團(tuán)隊(duì)將此項(xiàng)研究分為若干個(gè)子課題。首先，需要將原子進(jìn)行冷卻并降低速度?？蒲腥藛T采用激光束通過(guò)原子對(duì)光子的吸收實(shí)施了原子的減速；其次，需要采用激光束所形成的約束阱對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行捕捉，此時(shí)的激光聚焦高度清晰，僅為幾微米，這是原子被約束在激光點(diǎn)的激光特征值；之后，為獲得單個(gè)原子的照片，需要在百毫秒的短時(shí)間內(nèi)“紀(jì)錄”下約束阱中原子散射的紅外光子。實(shí)驗(yàn)條件要求在非常短的時(shí)間內(nèi)獲得受約束原子的照片，只有這樣的原子才能作為量子比特使用。
研究過(guò)程中，科研人員首先嘗試將光學(xué)鑷子鏡頭盡量遠(yuǎn)離冷原子云，以消除原子與鏡頭玻璃的相互作用，而這種做法對(duì)下一步的二量子位量子運(yùn)算會(huì)產(chǎn)生不利的影響，之后又采用長(zhǎng)焦鏡頭使其遠(yuǎn)離原子，但由于單原子亮度本身很低，進(jìn)入鏡頭的光子更少，這使得紀(jì)錄原子發(fā)出的光子就變得更難，因此所有研究結(jié)果指向于將光子聚焦于相機(jī)的單像素上，在此情形下的研究發(fā)現(xiàn)，由于激光鑷子總是試圖使原子擺脫背光共振，在相機(jī)本底噪音下無(wú)法得到單原子的影像。為消除上述問(wèn)題，科研人員短暫(不超過(guò)百萬(wàn)分之一秒)關(guān)閉約束阱，在保證單原子來(lái)不及逃逸的情況下，通過(guò)數(shù)千個(gè)周期重復(fù)開關(guān)積累信號(hào)能量，由此首次采用長(zhǎng)焦鏡頭和sCMOS像機(jī)獲得了單原子的影像照片。國(guó)外此類研究往往采用高靈敏度電子倍增EMCCD像機(jī)，而科研團(tuán)隊(duì)采用其上一代產(chǎn)品sCMOS像機(jī)卻獲得了理想的結(jié)果：采用少的曝光時(shí)間(50毫秒)獲得了單原子清晰的照片，并且后期試驗(yàn)的原子約束長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到了40秒。
科研團(tuán)隊(duì)下一步的工作是完成高精度單量子位量子運(yùn)算并過(guò)渡到二量子位量子運(yùn)算，通俗的說(shuō)，即通過(guò)改變并控制原子的電子狀態(tài), 采用冷原子進(jìn)行量子計(jì)算機(jī)邏輯元素的“準(zhǔn)備”。此項(xiàng)研究得到了俄羅斯科學(xué)基金和前景研究基金的支持。
采用光學(xué)阱對(duì)單原子進(jìn)行約束，這是創(chuàng)建一個(gè)量子位數(shù)組并進(jìn)行量子計(jì)算的第一步，量子位數(shù)組含有大量的原子，而每一原子約束于“自己”的光學(xué)鑷子上，由此，不僅需要捕捉原子，而且還需要對(duì)其準(zhǔn)確記錄。冷原子的電子狀態(tài)可保持?jǐn)?shù)秒，這對(duì)于完成量子計(jì)算已經(jīng)足夠了，所以此類原子可作為量子比特。從事單冷原子研究的課題組不超過(guò)20個(gè)，而在俄羅斯僅有2個(gè)課題組，除了西伯利亞的課題組外，另一個(gè)在莫大。
(原標(biāo)題：俄羅斯成功捕捉單原子并拍照)
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