世界首台能探测单个原子的量子模拟器，诞生！

光子盒研究院

量子物理学依赖于高精度的传感技术，以便深入研究材料的微观特性。近期开发的模拟量子处理器显示出量子气体显微镜在原子层面理解量子系统方面的强大潜力。这种显微镜可以生成极高分辨率的量子气体图像，甚至能够检测到单个原子。

在西班牙巴塞罗那的ICFO，研究人员Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov和Antonio Rubio-Abadal，在ICREA教授Leticia Tarruell的指导下，成功研发了名为QUIONE的量子气体显微镜。

从左至右：A. Rubio-Abadal、S. Buob、L. Tarruell、J. Höschele、V. Makhalov、C. Gas-Ferrer

QUIONE以希腊雪女神命名，它不仅是全球首台能够成像锶量子气体单个原子的显微镜，也是西班牙首台此类显微镜。

除了提供能够分辨单个原子的影响力十足的图像外，QUIONE的另一研究目标是进行量子模拟。如Tarruell教授所述，量子模拟能够简化极其复杂的系统为更简单的模型，解决当前计算机难以回答的开放性问题，例如解释某些材料为何能在较高温度下仍然无损耗地导电。

这一实验的独特之处在于研究团队成功地将锶气体置于一个光学晶格中的量子态，使原子能够通过碰撞相互作用，并采用单原子成像技术。这三个关键要素构成了ICFO锶量子气体显微镜的独特性。

中间有锶气云的玻璃池

迄今为止，多数量子气体显微镜主要使用碱性原子如锂和钾，它们相比碱土金属如锶的光学光谱更为简单。锶具有两个价电子，不同于碱性原子的单价电子，这一特性使其在实验中提供了理想的两级系统、可变电子态、超精细钟跃迁，以及具有SU(10)相互作用的多组分费米子：这些为量子模拟和量子光学实验带来了丰富的新元素。

实际上，锶的这些独特性质近年来已经让它成为量子计算和量子模拟领域极受欢迎的元素。例如，锶原子云可被用作原子量子处理器，以解决目前传统计算机难以解决的问题。

综上所述，ICFO的研究人员意识到锶在量子模拟方面的巨大潜力，并开始研发他们自己的量子气体显微镜；QUIONE显微镜因此而诞生。

为了实现这一目标，研究团队首先将锶气体的温度降低到极低水平。通过几束激光的作用，他们减缓了原子的运动速度，使其几乎停滞，温度在短短几毫秒内接近绝对零度。在这种极端低温下，量子力学定律开始主导原子的行为，使得原子呈现出量子叠加和纠缠等新奇特性。

随后，研究人员利用特殊激光器激活了光学晶格，使原子在空间中按网格状排列。

“可以将其想象为一个鸡蛋盒，其中每个凹槽就是放置鸡蛋的位置。但在我们的实验中，我们用原子替代了鸡蛋，用光学晶格替代了纸盒。”文章的第一作者Buob解释道。

在这种光学晶格中，原子相互作用，有时会通过量子隧穿效应从一个位置移动到另一个位置。这种原子间的量子动力学模拟了某些材料中电子的量子行为，从而帮助研究人员揭示复杂材料的行为，这正是量子模拟的核心目标。

在气体和光学晶格都准备就绪后，研究人员使用显微镜拍摄了锶量子气体的图像，首次能够逐个观察到原子。随后，QUIONE显微镜的建造取得了成功，并且研究团队希望进一步深入研究。

除了静态图片，研究团队还记录了原子的动态视频，并观察到虽然在成像过程中原子应保持静止，但它们有时会跳跃到相邻的晶格位置。这种现象可以通过量子隧穿现象来解释。

Buob评论说：“看到原子从一个位置‘跳跃’到另一个位置是一种非常美丽的景象，因为这直观地展示了原子的固有量子行为。”

最终，研究团队利用他们的量子气体显微镜证实了锶气体具有超流体特性，这是一种无粘性的物质量子态。

锶量子气体显微镜

ICFO锶量子气体显微镜中的单原子分辨荧光成像

位点分辨单原子探测的保真度

检测Bose-Hubbard超流体

“当我们突然关闭晶格激光器时，原子便开始在空间中自由扩展并产生相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，形成了独特的干涉图案。我们的设备成功捕捉到这些图案，从而验证了样品中超流体的存在。”Rubio-Abadal博士解释道。

Tarruell教授兴奋地说：“这对于量子模拟而言，确实是一个激动人心的突破。现在，我们已将锶纳入可用于量子气体显微镜的元素列表中，我们期待不久的将来能够模拟更为复杂和奇特的材料。届时，可能会诞生新的物质阶段。我们还期望通过增强计算能力，将这些设备用于模拟量子计算机。”

总的来说，开发锶量子气体显微镜是量子科学技术领域向前迈出的一大步。它为研究单原子级别的多体系统提供了一个全新的平台，可能会推动我们对量子物理学的理解达到新的高度。

未来，团队计划继续优化锶量子气体显微镜并探索其潜在的应用前景。他们相信，这项工作将为量子模拟和其他相关领域的新发现铺平道路。

[1]https://phys.org/news/2024-04-birth-quione-unique-analog-quantum.html

[2]https://www.icfo.eu/interest/247/quantum-gas-microscopy-of-alkali-earth-atoms/

[3]https://quantumzeitgeist.com/strontium-quantum-gas-microscope-a-new-era-in-quantum-physics-and-computing/

[4]https://www.eenewseurope.com/en/the-birth-of-a-unique-analog-quantum-processor-in-the-world/

本文转载自《光子盒 》微信公众号

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