量子计算新进展：研究团队用激光束实现单个中性原子的囚禁

保持中性

该研究团队设计的操纵中性原子的技术是不带电荷的。其他大多数量子实验中的原子总会带上电荷，或者离子，因为带上电荷的原子比较容易被囚禁。科学家还发现特定条件下的离子可被作为量子门——两个量子比特之间的逻辑运算，类似于经典的电路中的逻辑门。然而由于天生带电荷，离子间相互排斥，很难组成密集的阵列。

与离子不同，中性原子之间在紧密性上没有问题。使用中性原子作为量子比特的主要障碍是，它们受到的外力非常微弱，很难被控制在一个地方。

设陷阱

为了囚禁单个的中性原子，研究者们首次使用了一个激光器来将一团铷原子云冷却成超冷原子，其温度接近绝对 0 度，让原子从正常的高速轨道上慢下来。之后他们让第二个激光光束通过仪器分成很多小的光束，其数量和角度可以通过导流板（deflector）上的无线电频率来控制。

研究者将这些小光束聚焦通过超冷原子云，并发现每一个光束的聚焦点——光束强度最高的点，都吸引了一个单个原子，将它们从云中完全孤立出来控制在某个地方。

「这就好像在某种毛织物上摩擦梳子带电，然后 用它来捡起一小片纸，」Vuletic 说。「这个过程类似于被吸引到光场（light field）中高强度区域的原子。」科学家使用电荷耦合器件相机捕获的原子虽然被囚禁住了，但它们还能发光。通过查看它们的图像，研究者可以辨别出哪些激光束或者「光钳」控制住了原子，哪些没有。然后，他们可以改变每个激光束的无线电频率来「关掉」无原子的光束，重新排列那些带有原子的光束，该研究小组最终创建了 50 个原子的阵列，这些原子被囚禁在某个地方的时间长达几秒。

「现在的问题依然是这次你能执行多少次量子运算？」Vuletic 说。「通常中性原子的时间刻度（timescale）大约是 10 微妙，所以你可以在一秒内做 10 万次运算，我认为这是一个很好的结果了。」

现在，该研究团队仍在他们是否能够促使中性原子作为量子门——两个量子比特之间的最基本的信息处理。虽然有其他研究者在量子中性原子之间展示了这一过程，但他们还无法在大量原子的系统中保留量子门。如果 Vuletic 和他的同事能成功地在他们的 50 个原子的系统中诱导出量子门，他们就会在实现量子计算的道路上迈出意义重大的一步。

「对于除量子计算外的其他实验，比如用具有预定数量的原子模拟凝聚态物理。用我们的技术就可以实现，」Vuletic 说这让他非常兴奋。