NIST物理学家找到一种控制带电分子的方法-使用量子逻辑

标准与技术研究院(NIST)物理学家解决了如何控制单个带电分子或分子离子的量子特性这一看似棘手的难题。关键：使用相同类型的“量子逻辑”操作，用于在未来的量子计算机中进行计算。

这项新技术实现了难以实现的目标，控制分子与激光冷却一样有效，其他技术可以控制原子。原子的量子控制彻底改变了原子物理学，导致了原子钟等应用。但激光冷却和控制分子极具挑战性，因为它们比原子复杂得多。

NIST技术仍然使用激光，但只能轻轻探测分子; 它的量子态是间接检测的。这种对分子离子的控制 - 几个原子结合在一起并携带电荷 - 可以导致更复杂的量子信息处理架构，放大基础物理研究中的信号，如测量电子形状的“圆度”，以及增强控制化学反应

这项研究在5月11日出版的“ 自然”杂志(链接是外部的)中进行了描述，并由NIST Boulder小组进行，该小组展示了1978年第一次激光冷却原子离子。

“我们开发的方法适用于许多类型的分子，”NIST物理学家James Chin-wen Chou说。“无论你使用原子离子可以玩什么技巧，现在都可以使用分子离子。现在分子会“倾听”你 - 实际上，问“你想让我做什么?”

“这与科学家们首次激光冷却和捕获原子，将闸门打开，应用于精密计量和信息处理的应用相当。用分子实现所有这些事情是我们的梦想，“Chou补充道。

与原子相比，分子更难控制，因为它们具有更复杂的结构，涉及许多电子能级，振动和旋转。分子可以由许多不同数量和原子组合组成，并且与超过一米长的DNA链一样大。

NIST方法通过将信息转移到原子离子来找到分子离子的量子态(电子，振动和旋转)，原子离子可以用先前已知的技术进行激光冷却和控制。借用NIST量子逻辑时钟的想法，研究人员试图操纵分子离子，如果成功，则在离子对中引发同步运动。选择操作使得它只能在分子处于某种状态时触发运动。“是”或“否”答案由原子离子发出信号。该技术非常温和，表明分子的量子态而不会破坏它们。

“如果它处于正确状态，分子只会摇晃。原子感到摇晃，可以将微动转移到我们可以拾取的光信号中，“资深作者Dietrich Leibfried说道。“这就像盲文，它让人们感受到写的东西而不是看到它。我们感觉分子的状态而不是看到它，原子离子是我们的微观手指，这使我们能够做到这一点。“

“此外，该方法应适用于大量分子而不改变设置。这是NIST基本使命的一部分，用于开发其他人可以在其工作中使用的精确测量工具，“Leibfried补充说。

为了进行这项实验，NIST的研究人员清除了旧的但仍然可用的设备，包括2004年量子隐形传态实验中使用的离子阱。他们还从同一实验室正在进行的量子逻辑时钟实验中借用了激光。

研究人员在室温下的高真空室中捕获了两个百万分之一米的钙离子。将氢气泄漏到真空室中，直到一个钙离子反应形成由一个钙离子和一个氢原子键合在一起的氢化钙(CaH +)分子离子。

就像通过弹簧耦合的一对摆锤一样，两个离子可以发展共享运动，因为它们的物理接近性和它们的电荷的排斥相互作用。研究人员使用激光冷却原子离子，从而将分子冷却到最低能量状态。在室温下，分子离子也处于其最低的电子和振动状态，但仍保持旋转状态的混合。

研究人员随后应用了光调谐的红外激光脉冲，以防止离子的电子或振动状态发生变化，从而在分子的100多种可能的旋转状态中的两种之间实现独特的过渡。如果发生这种转变，则在两个离子的共享运动中加入一个能量子。然后，研究人员应用额外的激光脉冲将共享运动的变化转换为原子离子内部能量水平的变化。然后原子离子开始散射光，表明分子离子的状态发生了变化并且处于所需的目标状态。

随后，研究人员可以在激光诱导的过渡期间从发射和吸收的光传递角动量，例如，将分子的旋转状态定向在期望的方向上。

新技术具有广泛的可能应用。JouA的其他NIST科学家以前曾使用激光以某种方式操纵特定带电分子的云，但是新的NIST技术可用于以更多方式控制许多不同类型的较大分子离子，Chou说。

Chou说，分子离子提供了比原子离子更多的选择，用于存储和转换量子信息。例如，它们可以提供更多功能，用于将量子信息分发到不同类型的硬件，例如超导组件。

该方法还可用于回答深层物理问题，例如自然界的基本“常数”是否随时间而变化。氢化钙分子离子已被确定为回答这些问题的候选者之一。此外，为了测量电子的电偶极矩(表示粒子电荷分布的圆度的数量)，同时精确控制数百个离子的所有方面的能力将提高科学家想要的信号强度。测量，周说。