在今天的《科學》雜志上,，發(fā)表有普林斯頓大學的一個研究團隊的研究論文,，開發(fā)出了一種控制和測量原子的新方法，可以更進一步地了解量子世界的怪異,。

    這些原子是如此靠近,，而光學透鏡無法區(qū)分它們。如圖所示普林斯頓大學開發(fā)的一種測量和控制量子自旋的方法,。

    當原子變得非常接近時,，它們就會發(fā)展出有趣的相互作用，可以利用這些相互作用來創(chuàng)建新一代的計算和其他技術(shù),。由于光學顯微鏡的基本局限性,，已證明很難在實驗上研究量子物理學領(lǐng)域的這些相互作用。

    他們的方法是在納米級光學電路中,，使用微調(diào)激光器來激發(fā)晶體中間隔很近的原子,。研究人員利用了每個原子對激光的頻率或顏色稍有不同的響應這一事實，使研究人員無需依賴其空間信息即可解析和控制多個原子,。

    在傳統(tǒng)的顯微鏡中,，當兩個原子之間的間隔小于一個稱為衍射極限的關(guān)鍵距離（該距離大致等于光的波長）以下時，它們之間的空間就會有效消失,。這類似于兩個遙遠的恒星在夜空中出現(xiàn)為單個光點,。但是，這也是原子開始相互作用并產(chǎn)生豐富有趣的量子力學行為的尺度,。

    科學家們一直想知道,，在最基本的層面上，在固體內(nèi)部、在晶體內(nèi)部等,，原子實際上是在做什么,？它們?nèi)绾蜗嗷プ饔茫吭撗芯看蜷_了研究非常非常接近的原子的窗口,。

    在很小的距離上研究原子及其相互作用,，使科學家能夠探索和控制稱為自旋的量子性質(zhì)。作為一種動量形式,，旋轉(zhuǎn)通常被描述為向上或向下,。但當兩個原子之間的距離逐漸縮小時（僅十億分之一米），一個原子的自旋會影響另一個原子的自旋,，反之亦然,。當自旋在這個領(lǐng)域相互作用時，它們可能會糾纏在一起,，這是科學家用來形容兩個或多個不可分割地聯(lián)系在一起的粒子的術(shù)語,。

    糾纏的粒子的行為就像它們共享一個存在，無論它們后來相距多遠,。糾纏是將量子力學與經(jīng)典世界區(qū)分開來的必不可少的現(xiàn)象,，它是量子技術(shù)愿景的核心。普林斯頓大學這一新的裝置使科學家以前所未有的清晰度研究這些自旋相互作用,。

    新型裝置的一個重要特征是其具有一次處理數(shù)百個原子的潛力,，提供了一個收集經(jīng)驗數(shù)據(jù)的豐富量子實驗室。對于希望釋放現(xiàn)實的最深奧秘的物理學家來說,，這是一個福音,。

    在過去的三十年中，一直試圖利用量子現(xiàn)象來創(chuàng)建用于信息處理和通信的復雜技術(shù),，從能夠解決原本不可能解決的問題的新興量子計算機的邏輯構(gòu)建模塊,，到可以連接到計算機的超安全通信方法、不可入侵的量子互聯(lián)網(wǎng),。為了進一步開發(fā)這些系統(tǒng),，科學家將需要可靠的糾纏粒子，并利用它們的糾纏來編碼和處理信息,。

    研究人員稱,，傳統(tǒng)上將鉺用于激光和磁體中，由于其難以觀察,，因此并未廣泛用于量子系統(tǒng)中,。該團隊在2018年取得了突破，開發(fā)了一種增強這些原子發(fā)出的光并極其有效地檢測該信號的方法?，F(xiàn)在他們已經(jīng)證明他們可以全部做到,。

    當激光照亮原子時,，它激發(fā)的強度足以使它們以獨特的頻率發(fā)出微弱的光，但足以保留并讀出原子的自旋,。這些頻率根據(jù)原子的不同狀態(tài)微妙地變化,，因此“上”具有一個頻率，“下”具有另一個頻率,，每個原子都有自己的一對頻率,。

    研究人員說，“如果有這些量子位的集合,，它們都以非常微小的頻率發(fā)射光,。因此,，即使我們沒有能力將激光器小心地調(diào)諧到一個或另一個的頻率,，我們也可以解決它們。在空間上解決它們,，” “每個原子都能看到所有的光,，但是它們只收聽被調(diào)諧到的頻率?！?/p>

    這樣,，光的頻率就可以很好地代表旋轉(zhuǎn)。上下切換自旋可以為研究人員提供一種進行計算的方法,。它類似于經(jīng)典計算機中打開或關(guān)閉的晶體管,，從而產(chǎn)生了數(shù)字世界中的0和1。

    論文第一作者,、實驗室博士后研究員,、陳松濤（Songtao Chen）說：“相互作用的強度與兩次旋轉(zhuǎn)之間的距離有關(guān)?！?“我們希望使它們靠近,，以便我們可以進行這種相互的作用，并使用這種相互作用來創(chuàng)建量子邏輯門,?！?/p>