2020-06-05 20:30:12| 人氣283| 回應0 | 上一篇 | 下一篇
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中美團隊聯手,首次實現分子、原子之間量子糾纏,繼續拓展量子信息技術應用邊界


傳統的信息處理器會將信息在不同物理載體中倒騰,這些載體可以是伴隨計算機科學一路走來的各種存儲設備,例如磁盤、光盤以及閃存等等。

同樣的,量子信息技術也涉及信息在不同載體之間的操作。只不過承載量子信息的載體就有些不同了,科學家們通常採用量子系統承載信息,而量子系統的不同量子態就是信息的最終表達方式。





最簡單的量子系統是一個量子比特(qubit),一般有兩個狀態——“0” 和 “1”,但是不同於經典數位狀態只編碼兩種信息,一個二狀態量子比特實際上可在任何時間為兩個狀態的疊加態,也就是說可以編碼很多信息,而這也是量子比特能夠承載更多信息的緣由。


就最新的發展來看,由單原子和單分子構成的複合型量子糾纏系統已經誕生,對未來考慮使用分子進行量子信息處理產生推動作用。


這項工作的論文在線發表於學術期刊 Nature 上,由中美科學家聯合完成,題為 “Quantum entanglement between an atom and a molecule”。 論文第一作者與通訊作者、中國科學技術大學物理學院近代物理系教授林毅恆,曾師從 2012 年諾貝爾物理獎得主 David Wineland 教授,並於美國國家標準技術研究所擔任訪問研究員。




(來源: Nature )

首次原子和分子之間的量子糾纏

文中不但介紹了迄今為止最小的量子系統——單原子量子比特和單分子量子比特的製作,並介紹了如何在其中建立量子糾纏。最終實驗檢測的結果顯示,該系統的量子糾纏可靠性已經超過閾值,着實讓人眼前一亮。

以單原子和單分子作為量子系統,其實存在很大難度和風險,更別說還要在其中建立高可靠性的量子糾纏了。


那研究團隊為何還想要採用這樣的量子系統?

原因在於,若採用單原子或單分子作為量子系統,能夠在其中進行高頻率範圍的信息編碼,其量子比特頻率的範圍能從幾千赫茲到幾百太赫茲。

物理層上來說,單原子或者單分子量子比特呈現的頻率與其量子態的躍遷(transition)有關。在高中物理課本上的氫原子光譜是氫原子內的電子在不同能級躍遷時所發射或吸收不同波長、能量之光子而得到的光譜,根據頻率與波長的公式我們不難算出,其頻率在幾百太赫茲的範圍。




(來源: Nature )

也就是說,僅僅靠單原子的躍遷譜線並不足以拓展量子比特的頻率範圍。

研究團隊別出心裁地將單分子的震動和轉動自由度加入 “戰局”,具體來說將引入 “超精細躍遷”( hyperfine transitions,幾個 G 赫茲) ,“轉動躍遷”(rotational transitions,幾個太赫茲)以及 “分子中電子振動躍遷”(vibrational and electronic transitions,幾百個太赫茲),成功將量子比特的頻率範圍變寬。


他們採用 Ca + 離子和 CaH + 離子作成量子比特,並在 Ca + 離子的量子態和 CaH + 離子轉動躍遷之間建立量子糾纏。這就形成了一個複合的量子糾纏系統,除了有廣闊量子比特頻率範圍的優點之外,還能在量子糾纏的兩側得到不同的量子比特頻率,也就是存在兩側信號不一樣的性質,從而為製造特殊的量子器件和量子傳感器提供可能。


舉個最簡單的例子,我們熟悉的三極管或者放大器就是擁有輸入輸出端信號幅值不同這樣的性質,並且有着十分廣泛的應用,同理,傳感器的原理也是將聲、光、熱、力等信號轉化成為電信號。


量子信息技術新方向

量子糾纏建立的本質就是建立兩個量子系統之間的聯繫,而單原子和單分子之間應該如何建立聯繫?

團隊找到最直接的方式——庫侖力。

兩個正離子建立量子比特,聯繫兩個正離子最普通的方式就是它們之間的庫侖力,表現為斥力。具體而言,研究團隊先將 Ca + 離子和 CaH + 離子用 Paul 離子勢阱共同限制在一起,兩個離子之間的庫侖力就會將它們各自的運動聯繫在一起,一旦一個量子比特的狀態發生改變,那麼另一個的量子狀態也會發生改變。


接着,研究團隊進行了量子糾纏的驗證。他們在將 Ca + 離子的量子態和 CaH + 離子的量子態初始化之後,採用 729nm 的激光改變 Ca + 離子的量子態,並採用特殊方式讀取 CaH + 離子的量子態變化。

結果顯示,CaH + 離子的量子態發生了 13.4kHz 和 855GHz 的躍遷變化,並且相應取得了 0.87 和 0.76 的高可靠性,表明量子糾纏已經成功建立。


此外,值得一提的是,研究團隊在建立量子比特和量子糾纏中,採用了如今最先進的激光冷卻、俘獲以及原子分子量子態可控技術,並都取得相應突破。

團隊也在文中還提到,未來的研究如果要進一步提高量子糾纏可靠性,可以從優化基態冷卻以及減少外界環境微擾的角度去開展工作,例如提高真空度及減小外加磁場的波動等等。


團隊實現了一個複合型的量子糾纏系統,體現了其在量子信息技術中的尖端技術的成熟把控,也將對於未來的量子信息科學研究、量子傳感器及相關器件研究、基礎和應用物理研究,以及可控量子化學研究有重要意義。

將原子和分子做成量子比特,並在它們之間建立量子糾纏確實開創了量子信息技術的又一個研究方向,也許會成為該領域研究的新熱點。---(責編:黃珊/DeepTech深科技)

[1] Quantum entanglement between an atom and a molecule[J]. Nature. 581, pages273–277(2020).

[2] Preparation and coherent manipulation of pure quantum states of a single molecular ion[J]Nature. 545, pages203–207(2017).




*塔里木盆地旁有個“熱海”,水量是青海湖18倍,中國現卻無法利用*


在中國古代時期,西域地區有一個“熱海”,雖然那裡冬天很寒冷,但是它卻很少結冰,這個地方就是現在的伊塞克湖。




說起伊塞克湖的名字,可能大家都不太熟悉。它是中亞地區的大型湖泊,雖然面積沒有巴爾喀什湖大,但是湖中的水量卻要比後者多很多。




伊塞克湖位於中亞地區緊鄰我國新疆的位置,現今屬於吉爾吉斯共和國境,但是在清朝時期,這個湖泊卻和巴爾喀什湖同屬於我國,而在漢朝和唐朝的時候,這裡都曾長期屬於我國,在我國歷史上它也有不少名字,比如大青池、熱海、圖斯池、特穆爾圖淖爾、青池等等。




唐代玄奘法師西天取經時曾經來到這裡,在其著作《大唐西域記》中,記下了有關伊塞克湖的世界最早記載,書中稱其為“大清池”,說其周長“千餘里,東西長,南北狹。四面負山,眾流交湊,色帶青黑,味兼成苦,洪濤浩瀚,驚波汨忽……”蒙古族興起的時候,傳說成吉思汗的蒙古鐵騎攻破花剌子模後,將搶奪的大量金銀財寶,埋藏在了伊塞克湖底,因此這裡又被認為是一個“寶藏之湖”。






伊塞克湖的面積達6240平方公里,是目前我國最大湖泊青海湖的1.4倍,然而如果比水量的話,青海湖就差的更遠了,青海湖的面積大約是4450平方公里,平均水深約21米,但是伊賽克湖的平均水深卻達278米,最深處甚至達到了702米,它也是全世界最深的高山湖泊,也是面積第二大的高山湖泊,湖面海拔達1608米,湖中蓄水量大約為1.75萬億立方米,相當於青海湖蓄水量的18倍多。





伊塞克湖是個典型的高山湖泊,四周都是高山,後面的形狀猶如一隻眼睛,東西長182公里,南北最寬處約61公里,從面積上來說它並沒有北方的巴爾喀什湖更大,因為巴爾喀什湖的面積達1.82萬平方公里,但是巴爾喀什湖的平均水深只有6米,這樣一比較,伊塞克湖的蓄水量就相當於巴爾喀什湖的16倍了。





伊塞克湖距離塔里木盆地不遠,地圖上看它就在塔里木盆地旁邊,只隔了一道天山,如果將這個湖泊中的水下放到面積達40萬平方公里以上的塔里木盆地中,不考慮滲入和蒸發的話,其平均水深仍然可達4米,塔里木盆地中有我國最大的沙漠——塔克拉瑪干沙漠,若是將這個湖泊中的水分攤到面積達33萬平方公里的塔克拉瑪干沙漠中,不滲透不蒸發情況下平均水深可達5.5米,可見這個湖泊中的水量有多麼的豐富吧!但是由於這個湖泊不屬於我國,所以其中的水資源我們很難利用到,而且它是個鹹水湖,其中的水基本無法用於灌溉農田。





清朝中期以前,伊塞克湖連同巴爾喀什湖、阿拉湖和齋桑泊這中亞東部的四大湖泊還都屬於我國,1864年俄國發兵侵佔了這一片地區,並以武力壓迫當時內憂外患的清政府同意割讓這一片領土,無奈之下,清政府同俄國在1864年簽訂了不平等條約《中俄勘分西北界約記》,俄國就搶走了包括上面三四大湖泊在內的面積達44萬平方公里的土地。





伊塞克湖風景十分優美,是中亞地區著名的旅遊勝地和療養區,湖水非常清澈乾淨,透明度超過12米,但由於湖區蒸發量大於淡水輸入量,導致湖水鹹度較高,所以它也是一個典型的鹹水湖。由於四面環山,寒流不容易進入,湖水含鹽量較多,又有不少熱泉湧入,所以在寒冷的冬季,其大部分湖面也並不會封凍,是同緯度地區少見的高山不凍湖,因此此湖在我國古代被叫做“熱海”。





而且人們發現伊塞克湖一直在變深,面積也在變大,在如今的湖面水下7米處有一座古城遺址,而古城的地基肯定是有比當時的湖面高出幾米的,這說明當年伊塞克湖的湖面要比現在淺10米以上。古城遺址中還打撈出了生活用品和古錢幣,其中不少被鑒定為成吉思汗時代的物品,成吉思汗佔領該地區的年代在13世紀初,說明這座水下古城消失的時間不足800年,這說明伊塞克湖水面的上漲還是比較快的。---(科普大世界)



*銀河系兩端竟有倆巨大氣泡,長達5萬光年,成因不明或由黑洞吹成*


銀河系是一個直徑達16萬光年左右的龐大星系,擁有着1000~4000億顆恆星,我們所在的太陽系就身處其中,“不識廬山真面目,只緣身在此山中”,我們要了解銀河系的形狀並不容易,不過天文學家們仍然通過對銀河系這片區域中的物質和能量分布掃描而大致了解了銀河系的形狀,認為它是一個有着多條旋臂的棒旋星系。如下圖:





不僅如此,天物學家們還發現了它在其他方面的一些特徵,比如天文學家們早就在銀河系盤面的上下方發現了兩個對稱分布的巨大的費米氣泡,近日,來自美國威斯康辛大學麥迪遜分校、威斯康辛大學白水分校和安布里-里德爾航空大學的研究小組,利用威斯康辛州的阿爾法氫測繪項目中的映射器望遠鏡,認真研究了這兩個長達5光年的巨大氣泡。並與哈勃望遠鏡新進行的紫外吸收測量相同的位置測量了其中氫和氮發出的光,首次測量了可見光光譜中的費米氣泡。




費米氣泡是從星系盤面中心位置發出的兩個巨大高能氣體流出,表現為由高能宇宙射線和氫離子組成並且跨度可達到數萬光年的巨型“氣泡”,其源頭被認為是銀河系中心黑洞的吸積盤,當星系中的物質落向黑洞時會開始旋轉,就像浴缸中的水流旋轉流走的樣子。由炙熱氣體和塵埃組成的漩渦會產生很強的磁場,向外噴射由高能輻射和高能宇宙射線粒子組成的噴流,從而產生類似的“氣泡”結構。




而銀河系盤面兩端的費米氣泡大約開始於600萬年前,當時銀河系中心的黑洞的確發生過一次劇烈的物質吸積,在這一過程中產生了高能噴流以及紫外輻射,把銀河系外圍的麥哲倫帶中的電子從原子中剝離才出現了“費米氣泡”。






但如上的說法還都是猜測,費米氣泡的具體成因至今仍不明朗,也有科學家認為它是暗物質存在的信號。該氣泡向銀河繫上下兩端各延伸了約2.5萬光年,總長度可達5萬光年,接近銀河系盤面跨度的1/3左右。




美國威斯康星大學麥迪遜分校天文學研究生達內什·克里希納拉奧稱:我們將發射和吸收的這兩種測量結果結合起來,發現這些微弱但高能的氣體物質正以每小時數百萬公里的速度從銀河系中心向外飛馳,這一現象也說明了這兩個巨型氣泡的產生很可能與銀河系中心黑洞有關。---(科普大世界)




參考資料:《“費米氣泡”可能源自600萬年前黑洞噴流》



台長: 聖天使

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