摘要：加州理工学院物理学教授曼努埃尔-恩德雷斯（Manuel Endres）擅长使用被称为光镊的设备对单个原子进行精细控制。他和他的同事利用激光制成的镊子操纵原子阵列中的单个原子，以研究量子系统的基本特性。他们的实验取得了诸多进展，其中包括用于消除简单量子机器中误差

两个原子被激光束捕获，呈现出一种名为超纠缠的特殊量子态。在这种状态下，它们的运动和内部能量相互关联，为量子技术开辟了新的可能性。

加州理工学院物理学教授曼努埃尔-恩德雷斯（Manuel Endres）擅长使用被称为光镊的设备对单个原子进行精细控制。他和他的同事利用激光制成的镊子操纵原子阵列中的单个原子，以研究量子系统的基本特性。他们的实验取得了诸多进展，其中包括用于消除简单量子机器中误差的新技术、一种可能造就世界上最精确时钟的新装置，以及一个控制超6000 个单个原子的破纪录量子系统。

在这项工作中，一个令人头疼的因素是原子的正常抖动运动，这使得系统更难控制。如今，该团队在《科学》（Science）杂志上发表了一篇报道，他们彻底解决了这个问题，并利用这种原子运动来编码量子信息。

“我们证明，原子运动通常被视为量子系统中不需要的噪声源，但它可以转化为一种力量，”亚当-肖（Adam Shaw）说道，他与帕斯卡尔·肖尔 (Pascal Scholl) 和兰·芬克尔斯坦 (Ran Finkelstein) 共同撰写了这项研究。

肖在参与这些实验期间曾是加州理工学院的研究生，现在是斯坦福大学的博士后学者。肖尔曾是加州理工学院的博士后，现就职于量子计算公司 Pasqal。芬克尔斯坦曾在加州理工学院获得特罗伊什博士后奖，现为特拉维夫大学教授。

最终，这项实验不仅在原子运动中编码了量子信息，还产生了一种被称为超纠缠的状态。在基本的纠缠中，两个粒子即使相隔遥远也能保持联系。当研究人员测量粒子的状态时，他们会观察到这种相关性： 例如，如果一个粒子处于自旋向上（角动量方向朝上）的状态，另一个粒子将始终处于自旋向下的状态。

在超纠缠中，粒子对的两个特征是相关的。打个简单的比方，这就好比一对在出生时就被分开的双胞胎，他们拥有相同的名字和相同类型的汽车： 这对双胞胎的两个特征是相关的。

在这项新研究中，恩德雷斯和他的团队能够超纠缠成对的原子，从而使原子之间的各自运动状态和各自的电子状态--它们的内部能级--相互关联。更重要的是，这一实验证明意味着可以同时纠缠更多的特征。

恩德雷斯解释说：“这使我们能够为每个原子编码更多的量子信息。你可以用更少的资源获得更多的纠缠。”

该实验首次展示了大质量粒子（如中性原子或离子）的超纠缠（之前的展示使用的是光子）。

亚当·肖、伊瓦伊洛·马贾罗夫和曼努埃尔·恩德雷斯在加州理工学院研发激光装置。

在这些实验中，研究小组对封闭在光学镊子中的单个碱土中性原子阵列进行了冷却。恩德雷斯说，他们通过 “热运动激发的检测和随后的主动校正 ”展示了一种新型冷却方式，他将其与詹姆斯-克拉克-麦克斯韦（James Clerk Maxwell）1867 年著名的思想实验相提并论，该实验调用了一个恶魔来测量和分类腔室中的粒子。“我们基本上是测量每个原子的运动，并根据结果逐个原子地进行操作，这与麦克斯韦的恶魔类似。”

这种方法比最著名的激光冷却技术更有效，它能使原子几乎完全静止。

在此基础上，研究人员诱导原子像摆动的钟摆一样振荡，但振幅约为 100 纳米，比人的头发丝宽度还要小得多。他们能够同时激发原子产生两种不同的振荡，使运动处于叠加状态。叠加是一种量子状态，在这种状态下，粒子同时表现出相反的特性，就像粒子的自旋同时向上和向下一样。

恩德雷斯说：“你可以把在这种叠加态中运动的原子想象成一个荡秋千的孩子，他开始被两边的父母推来推去，但却是同时进行的。在我们的日常生活中，这肯定会导致父母之间的冲突；而在量子世界中，我们却可以出色地利用这一点。”

然后，他们将摆动的单个原子与伙伴原子纠缠在一起，在几微米的距离内创造出一种相关的运动状态。原子纠缠后，研究小组又将它们超纠缠，使原子的运动和电子状态都相互关联。

恩德雷斯说：“从根本上说，我们的目标是突破原子控制的极限。“我们基本上是在打造一个工具箱： 我们知道如何控制原子内的电子，现在我们学会了如何控制整个原子的外部运动。这就像一个你已经完全掌握的原子玩具。”

这些发现可能会带来新的量子计算方式，以及旨在探究物理学基本问题的量子模拟。恩德雷斯说：“运动状态可能成为量子技术的强大资源，从计算到模拟再到精确测量。”

来源：光电查