新的冷却技术可能成为量子计算的垫脚石

哈德森加州大学洛杉矶分校物理实验室的Steven Schowalter,Eric Hudson和Scott Sullivan(左至右)来源:Reed Hutchinson / UCLA通过将带电荷的氯化钡分子浸入超微量的钙原子云中,加州大学洛杉矶分校的物理学家开创了一种新的冷却技术,可能是量子计算的踏脚石下一代计算机承诺比现在的基于硅的计算机具有更强大的功能和更快的处理速度这些“量子计算机” - 因为它们将利用原子粒子独特的量子力学特性而得名 - 可以得出它们的计算能力来自一系列超冷分子的能量但是冷却分子到绝对零度以上的一小部分,它们可被操纵以存储和传输数据的温度已被证明对科学家来说是一项艰巨的挑战现在,加州大学洛杉矶分校物理学家已经开创了一项新技术,结合了两种传统的原子冷却技术并带来了规范他们的研究成果发表在3月28日的“自然科学家”杂志上,科学家们已经尝试将分子冷却十年,并且只用少量特殊分子成功,“加州大学洛杉矶分校物理学助理教授埃里克哈德森说

该论文的资深作者“我们的技术是一种完全不同的解决问题的方法 - 它比其他技术更容易实现,并且应该与数百种不同的分子一起工作”以前创建超冷分子的尝试只对一两个特定有效创造一种可以与许多不同分子一起使用的方法将是向前迈出的重要一步,因为很难说哪些材料可能用于量子计算机或其他未来的应用中,Hudson说通过将带电荷的氯化钡分子浸入超微云中钙原子,哈德森和他的同事能够阻止大多数分子振动和旋转停止分子是一个必须克服的障碍,才能用来存储像传统计算机一样的信息“目标是建立一个不能用零和一个计算机工作的计算机,但是使用量子力学对象,”哈德森说

量子计算机可以破解由经典计算机创建的任何代码并完全安全地传输信息“哈德森的实验使得分子在高度受控的条件下极冷,以揭示在正常情况下隐藏的量子力学性质

在室温下,分子向周围发射,弹回到彼此交换能量科学家试图在这样一个混乱的系统中存储的任何信息都会很快变成胡言乱语“我们将这些分子系统隔离在真空中,有效地将它们悬浮在无中生存的地方”,Hudson说:“这将它们从其他部分中移除想要使它们成为经典的世界“亚原子的量子力学世界rticles偏离了我们用肉眼观察到的经典世界,因为根据量子力学,电子只能存在于特定的能级中

在由单个原子集合构成的量子计算机中,可以通过将一些原子电子提升到更高的电子来存储信息

能量水平让其他人处于较低的能量状态然而,这些原子能状态不够稳定,无法可靠地保存数据,Hudson说:“原子的挑战之一是它们的能量状态很容易受到外界的影响,”Hudson说“你创造了这个美丽的量子态,但随后外界试图破坏这些信息”Hudson说,旋转的分子旋转能量状态不是将数据保存在易于破坏的原子能状态中,而是一种更稳健的信息存储方式

处于最低能量旋转状态的分子可以表示二元的,而静止的分子可以表示二元零尽管量子计算和其他行业的应用,冷却分子到极低的温度已经证明是一个挑战即使是仅由两个原子组成的最简单的分子,也是一个比单个原子复杂得多的系统

每个分子都像微型旋转紧致一样振动和旋转,所有这些运动必须平静下来,以便分子能够失去能量并降温 一种新的冷却技术为了解决超冷分子难题,Hudson和他的小组首先创造了一个浮动的钙原子云,它被来自各个方向的入射激光束所控制

这种磁光阱使原子保持静止,因为它将它们冷却到几乎绝对零度

然后使用具有高振荡电压的专用棒作为离子阱的一部分,将一团带正电荷的氯化钡分子限制在钙原子的超冷球内,以完成冷却过程对于振动,高能分子失去热量,他们必须花费与周围的超冷原子云接触的大量时间哈德森和他的同事使用氯化钡离子,分子缺少一个电子,因为带电分子比中性对应物更容易捕获和冷却分子离子的使用是一项重要的创新,因为以前的努力已经证明,中性分子在没有足够的情况下从超冷原子中弹出传热“当一个分子离子和一个中性原子靠近在一起时,它们会在离子消失之前紧紧地相互撞击,”哈德森说:“当它们碰撞时,它很容易在另一方面“虽然磁光和离子阱对分子物理学来说并不陌生,但哈德森和他的同事们成为第一批将这些方法结合起来创造一片超冷分子的人

本文是四年多来的结果设计,建造和测试他们的实验所花费的工作“这两种不同的技术为开发它们的科学家们赢得了诺贝尔奖,但实际上并没有关于如何将这两种程序放在一起的知识体系,”哈德森说

由陆军研究办公室和国家科学基金会资助其他共同作者包括前加州大学洛杉矶分校博士后学者Wade Rellergert;加州大学洛杉矶分校研究生Scott Sullivan,Steven Schowalter和Kuang Chen;和坦普尔大学物理学教授Svetlana Kotochigova出版:Wade G Rellergert等,“转化冷分子交感振动冷却的证据”,Nature 495,490-494(2013年3月28日); doi:101038 / nature11937来源:Kim DeRose,加州大学洛杉矶分校新闻室图片:Reed Hutchinson / UCLA

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