江蘇鐳射聯盟導讀：
量子演算法使離子陷入停頓。
鐳射束不僅僅能加熱物體，也可以冷卻他們。對於致力於精密光譜學和光學原子鐘發展的物理學家來說，這並不是什麼新鮮事。但現在有一種新的發現，這種型別的離子以前從未被冷卻到200µK，現在卻可以用高電荷離子達到極低的溫度。
這項發現由德國物理技術研究所(PTB)的研究人員研究得出。這個團隊透過將他們現有的方法(包括鐳射冷卻耦合離子和量子計算領域的方法)結合在一起，取得了成功。量子演算法的應用確保了傳統鐳射冷卻無法有效冷卻的離子可以一起冷卻。這意味著我們正在接近一個帶有高電荷離子的光學原子鐘，這個時鐘可能有潛力比現有的光學原子鐘更精確。研究結果發表在最新一期的《Physical Review X》上。
不匹配的夥伴正在被冷卻：一個鈹離子（紅色，左）和一個高電荷氬離子（紫色，右）被來自不同側面的鐳射轟擊，幾乎完全停止。來源: PTB
如果你想極其精確地研究諸如離子之類的粒子（比如，使用精密光譜儀或在原子鐘中測量它們的頻率），那麼你必須儘可能使它們處於靜止狀態。最極端的靜止狀態與最低可能的溫度相同，這意味著你必須儘可能有效地冷卻它們。
鐳射冷是公認的高科技冷卻方法之一。這種方法透過巧妙排列的鐳射使粒子減速。然而，並不是每個粒子都適合這種方法。這就是為什麼在很長一段時間裡，QUEST研究所一直在使用一對耦合離子來克服這個問題:一個離子(稱為“冷卻離子”或“邏輯離子”)是用鐳射冷卻的;同時，它的耦合夥伴離子也被冷卻，然後可以進行光譜研究(因此，被稱為“光譜離子”)。但在此之前，當兩個離子的電荷質量比相差太大時(即當它們的質量和電荷相差很大時)，這種方法就會達到極限。“但現在正是這些離子對我們的研究特別有趣，例如，開發新型光學鍾。”探索號的物理學家Steven King解釋說。
一個Be+離子(紅色，左)和一個HCI(紫色，右)被限制在一個線性保羅陷阱中的雙離子庫侖晶體的簡化描繪(不按比例)。
由於他和他的團隊在應用量子力學定律方面自然非常有經驗。他們利用了量子計算研究人員的工具包。量子演算法——即基於操縱單個量子的計算機操作——不僅能用於以量子計算機前所未有的速度執行計算。它們還可以幫助從不匹配的離子對中提取動能。在所謂的演算法冷卻過程中，量子操作用於實現這一點：將能量從光譜離子幾乎不可冷卻的運動轉移到邏輯離子容易冷卻的運動。
上圖:量子邏輯邊帶冷卻序列的方案，代表了在每個描述的鐳射脈衝被應用之前離子晶體的狀態。
他們成功地做到了這一點。“我們能夠從一對離子中提取出如此多的能量，這對離子由一個帶單電荷的鈹離子和一個帶高電荷的氬離子組成，最終它們的溫度降到了200µK。”QUEST的一名博士生Lukas Spieß說。這樣的集合從未如此接近絕對零度（如：如此靜止）。“更重要的是，我們還觀察到了前所未有的低水平的電場噪聲，”他補充道。
雙離子晶體在解析邊帶冷卻前(黑色)和冷卻後(紅色)的WCR運動邊帶。這種躍遷是在Ar13+離子上驅動的，它的最終狀態是用量子邏輯光譜從Be+離子中讀出的。
當冷卻停止時，這種噪聲通常會導致離子被加熱，但在他們的裝置中，這種噪聲特別低。將這兩件事結合起來意味著他們道路上的最後一個主要障礙現在已經被克服，一個基於高電荷離子的光學原子鐘可以被建造出來。這種原子鐘的不確定度可能小於10–18。目前只有世界上最好的光學原子鐘才能達到這種效能。這些發現對於量子計算機的發展和精密光譜學也具有重要意義。
來源：Algorithmic Ground-State Cooling of Weakly Coupled Oscillators UsingQuantum Logic, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041049
江蘇鐳射聯盟陳長軍原創作品！
