量子科学有望实现一系列技术突破，例如可以帮助发现新药物的量子计算机或用于导航的量子传感器。然而，其有限的存储时间或“相干”时间（经常只有毫秒左右）使得这些量子系统在实际使用时存在挑战。JILA研究员Adam Kaufman和他的研究团队专注于提升锶原子“基态”与“钟态”（构成原子钟的一对能级）之间叠加态的相干时间，演示了钟态原子之间的纠缠与秒级相干时间，该成果于8月8日发表在《自然•物理学》杂志上[1]；另一个实验实现了二维光晶格中的大规模量子行走，该成果于8月18日发表在《科学》杂志上[2]。
在《自然·物理学》上发表的论文中，该团队实现了两项重大突破：在钟态跃迁之间创建纠缠，并演示如何将纠缠保持长达4秒。“这些纠缠态被称为贝尔态，对量子增强型原子钟很有用，”Kaufman说。这里指的是两个原子形成的特定量子态，其中两个原子同时处于基态或者钟态。Kaufman接着说道，“但为了提高时钟性能，贝尔态需要在大时间尺度上持续保存，最好能持续几秒甚至几分钟。”让纠缠态保持如此长的时间是一个挑战，因为任何小的环境噪声都可能破坏量子态，这是量子比特如此脆弱的原因之一。研究人员使用了一个光镊阵列，即由紧密聚焦的激光光斑形成的二维网格。在超高真空腔中，一个原子可以在每个格点中被囚禁和操纵。该团队在被称为光晶格的构型中使用了额外的激光来更紧密地束缚原子，而另一束激光则将钟态原子转变为所谓的里德堡原子。“里德堡原子是指原子中的一个电子处于非常高的激发态，其位置离核很远……就像弹开的爆米花，电子从小而紧密变成相对大而松散的束缚，因此很容易受到环境的影响。”该研究的第一作者之一Nathan Schine解释道。这些原子之间相互作用非常强烈，这是形成纠缠态的关键。Schine补充道：“我们基于里德堡原子实现了一种新型的纠缠操作，并利用它使贝尔态具有高保真度。”贝尔态对提高原子钟性能很有用，因为原子对可以更快的振荡。该研究的第一作者之一Aaron Young在描述这一过程时说：“你可以把这个振荡想象成一个老爷钟上的钟摆。从字面上讲，我们所做的就是推原子中的电子一把，他们便可以振荡。它们摆动的速度和它们振下来的时间决定了你的时钟的精度。这个实验令人兴奋的是，我们给了原子对一个更复杂的冲击，使得这一对同步振荡的小钟摆甚至比两个独立的钟摆更协调。”
JILA研究员Adam Kaufman 和Jun Ye正在进行合作，“位于我们的实验室中的一个纠缠原子钟与在大厅的另一端（Ye实验室）的原子钟之间进行联网可能是非常令人兴奋的，这能够更好地测量我们周围的世界”Schine说。
Kaufman和他的团队还使用了前文工作中得这种组合的光镊阵列和光学晶格装置来研究不同类型的叠加和纠缠。虽然单个原子通常被囚禁在光学晶格的单个位置，但有时一个原子可以“量子隧道”穿过势垒进入相邻位置。随着时间的推移，原子在被称为“量子行走”的过程中经历了多个位置，最终以原子在晶格中游荡的不同路径的数量呈指数增长而告终。
在《科学》杂志上的这篇文章中，Kaufman小组观察到单个原子如何相干地穿过几百个晶格点，穿过数万条不同的路径。“所有这些路径相干干涉，给了我们这些美丽的干涉模式，”主要作者Aaron Young解释道。Kaufman等人还用这些量子行走进行了空间搜索的原理证明演示。“更重要的是，通过仔细控制所有这些不同的路径，我们可以使用由此产生的干涉来解决某些计算问题。”通过将原子制备成一种特殊的叠加态，并使用另一种称为“oracle”镊子的特殊光镊来修改晶格的形状，“oracle”镊子指向单个晶格位置，它就像一根魔杖，使原子隧道到达该位置，而不是晶格中的任何其他位置，”合著者William Eckner说。
研究人员正在努力解决涉及晶格中多个原子同时隧穿的问题。
论文链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01678-w
[2]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abo0608
报道链接：