Cooling molecules may be a stepping stone to 量子 computing

下一代计算机有望提供比今天更大的功能和更快的处理速度’基于硅的机器。

这些“quantum computers”之所以这么称呼它们是因为它们可以利用原子粒子的独特量子力学特性,可以从一系列过冷的分子中汲取其计算能力。

但是,事实证明,将分子冷却到比绝对零值高出一小部分的程度,绝对温度是可以操纵它们以存储和传输数据的温度,这对科学家来说是一个艰巨的挑战。

现在,加州大学洛杉矶分校的物理学家开创了一种新技术,该技术结合了两种传统的原子冷却技术,并使通常具有弹性的分子处于冻结状态。他们的研究发表在3月28日的《自然》杂志上。

“十年来,科学家一直在尝试冷却分子,并且仅以少数几种特殊分子取得了成功,”加州大学洛杉矶分校物理学助理教授埃里克·哈德森说’s senior author. “我们的技术是解决问题的完全不同的方法,它比其他技术更容易实现,并且可以与数百种不同的分子一起使用。”

以前 attempts to create ultracold molecules were only effective with one or two specific kinds. Creating a method that can be used with many different molecules would be a major step forward because it is difficult to say which materials might be used in 量子计算机 or other future applications, 哈德森 said.

By immersing charged barium chloride molecules in an ultracold cloud of calcium atoms, 哈德森 and his colleagues are able to prevent most of the molecules from vibrating and rotating. Halting the molecules is a necessary hurdle to overcome before they can be used to store information like a traditional computer does.

“目标是建立一台不’t与零和一一起工作,但与量子力学对象一起工作,” 哈德森 said. “量子计算机可以破解经典计算机创建的任何代码,并完美安全地传输信息。”

哈德森’的实验使分子在高度受控的条件下极冷,以揭示正常情况下隐藏的量子力学性能。在室温下,分子迅速旋转,彼此反弹并交换能量。科学家试图在这种混乱的系统中存储的任何信息都将很快变得毫无用处。

“我们在真空中隔离这些分子系统,使它们悬浮在空虚之中,” 哈德森 said. “这将它们从想要使其成为经典的世界其他地区中删除。”

Cooling molecules may be a stepping stone to 量子 computing亚原子粒子的量子力学世界不同于我们用肉眼观察到的经典世界,因为根据量子力学,电子只能以特定的能级存在。在由单个原子集合构成的量子计算机中,信息可以通过将一些原子电子提高到更高的能级而将其他电子保持在更低的能态来存储。但是,这些原子能状态不够稳定,无法可靠地保存数据,哈德森说。

“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,” 哈德森 said. “您使出了这个美丽的量子状态,但随后外界试图破坏该信息。”

Instead of saving data in easily disrupted atomic energy states, a more robust way to store information is in the rotational energy states of molecules, 哈德森 said. A spinning molecule in the lowest energy rotational state could represent a binary one, while a stationary molecule could represent a binary zero.

尽管将其用于量子计算和其他行业,将分子冷却至极低的温度已证明是一项挑战。即使是仅由两个原子组成的最简单的分子,也比单个原子复杂得多。每个分子都像微型旋转的link子一样振动和旋转,所有这些运动都必须停下来,这样分子才能失去能量并冷却下来。

新的冷却技术

为了解决超冷分子的难题,Hudson和他的小组首先创建了一个钙原子浮云,该钙云被来自各个方向的入射激光束腐蚀。该磁光阱在将原子冷却到接近绝对零时将其保持静止。然后,他们将具有高振荡电压的专用棒用作离子阱的一部分,以将一团带正电的氯化钡分子团团限制在钙原子的超冷球内,以完成冷却过程。

为了使振动的高能分子失去热量,它们必须花费大量时间与周围的超冷原子云接触。哈德森和他的同事使用了氯化钡离子,这些分子缺少一个电子,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必不可少的创新,因为先前的努力表明,中性分子会在没有足够的热传递的情况下弹跳超冷原子。

“当分子离子和中性原子靠近时,它们紧密结合并在离子消失前相互撞击。” 哈德森 said. “当它们像这样碰撞时,其中一个能量很容易传到另一个能量。”

While magneto-optical and ion traps are not new to the world of molecular physics, 哈德森 and his colleagues became the first group to combine these methods to create a cloud of ultracold molecules. This paper is the result of over four years of work spent designing, building, and testing their experiment.

“这两种不同的技术为开发它们的科学家赢得了诺贝尔奖,但是’确实是有关如何将这两个过程结合在一起的知识,” 哈德森 said.

该研究由陆军研究办公室和国家科学基金会资助。

其他合著者包括前UCLA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;以及天普大学物理学教授Svetlana Kotochigova。



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