原子间单量子能量交换首次实现

根据美国物理学家组织网络的报告，国家标准研究所的物理学家首次建立了两个分离的带电原子(离子)之间的直接运动耦合，实现了原子之间的单量子能量交换。这项技术简化了信息处理过程，可用于未来的量子计算机、模拟技术和量子网络。这项研究发表在2月23日的《自然》杂志上。研究人员解释说，他们让两个铍离子在电磁势阱中振荡进行能量交换，这种交换发生在最小的能量单位——量子中。这意味着离子“耦合”在一起，表现出“和谐的振荡”，就像宏观世界中的钟摆和音叉，来回重复运动。

实验中使用了一个单层离子势阱，将它浸入液氦池中，并冷却到零下269摄氏度。这些离子相距40微米，漂浮在势阱表面。势阱的表面装有微小的电极，使两个离子靠得更近，从而产生更强的耦合效应。超低温可以抑制热量，避免干扰离子行为。研究人员在势阱上放置振荡脉冲来探测铍离子频率。

研究人员还使用激光冷却来减少两个离子的运动，然后使用两个反向紫外激光束来进一步将一个离子冷却到静止状态，调节势阱电极之间的电压，从而打开耦合效应。根据测量，离子的能量交换仅为每155微秒几个量子，而当达到单个量子交换时，频率较低，间隔为218微秒。理论上，这种离子间的能量交换过程可以持续到被热量打断。

“首先，一个离子轻微振动，而另一个是静止的，然后振动传递给另一个离子。它们之间的能量运动是最小的能量单位。”“我们可以调整耦合效应，影响能量交换的速度和程度，还可以控制耦合效应的开始或结束，”该论文的第一作者、美国国家标准与技术研究所博士后研究员坎顿·布朗说。利用电极电压来调节两个离子的频率，使它们更接近，耦合效应开始。当两个离子的频率最接近时，耦合效应最强。由于带正电荷的离子之间的静电相互作用，它们倾向于相互排斥。耦合给每个离子两个电子的特征频率。

在未来的量子计算机中，上述技术可以用来解决量子系统的复杂问题，破解当今最广泛使用的数据加密编码。离子在不同位置的直接耦合可以简化逻辑操作，并有助于纠正操作过程中的错误。该技术也可用于量子模拟，以解释复杂量子系统的原理和机制，如高温超导。

研究人员还指出，类似的量子交换可以用来连接不同类型的量子系统，如离子和光子，在未来的量子网络中传递信息。例如，势阱中的离子可以充当超导量子位和光子位之间的“量子转换器”。