量子技术新突破：麻省理工科学家将原子间距缩小至50纳米

量子现象的探索往往需要原子间的紧密接近，因为当原子粒子非常接近时，它们之间的相互作用会变得更加显著。麻省理工学院的物理学家们开发了一种新技术，能够将原子排列得比以往任何时候都更近，这一技术可能对量子计算和量子材料的研究产生重大影响。

在量子模拟器中，科学家们通常通过将原子冷却到几乎静止的状态，然后使用激光光来定位粒子，使它们之间的距离尽可能接近，通常为500纳米。然而，麻省理工学院的物理学家们现在开发了一种技术，可以将原子间的距离缩小到仅有50纳米。作为参考，一个红细胞的宽度大约为1000纳米。

研究人员在实验中使用了镝（dysprosium），这是自然界中最具有磁性的原子。他们使用新技术操纵两层镝原子，并将这两层原子精确地定位在50纳米的距离。在这种极端接近的情况下，原子间的磁相互作用比它们相隔500纳米时要强1000倍。

此外，科学家们还能够测量由原子接近引起的两种新效应。他们增强的磁力导致了“热化”（从一个层传递热量到另一个层）以及层之间的同步振荡。当层之间的距离增加时，这些效应逐渐消失。

MIT的John D. MacArthur物理学教授Wolfgang Ketterle表示：“我们已经将原子的定位从500纳米减少到50纳米，这为我们提供了很多可能性。在50纳米的距离下，原子的行为非常不同，我们真的正在进入一个新的领域。”

Ketterle和他的同事们表示，这种新方法可以应用于许多其他原子，以研究量子现象。该团队计划使用这种技术操纵原子，以生成第一个纯磁量子门——这是新型量子计算机的关键构建模块。

这项研究的结果发表在《科学》杂志上。研究的共同作者包括主要作者、物理学研究生Li Du，以及Pierre Barral、Michael Cantara、Julius de Hond和Yu-Kun Lu，他们都是MIT-哈佛超冷原子中心、物理系和电子学研究实验室的成员。

为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将一团原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用一系列激光束将原子限制在光学陷阱中。激光光是一种具有特定波长和频率的电磁波。波长限制了光能够形成图案的最小尺寸，通常为500纳米，这就是所谓的光学分辨率极限。由于原子被某些频率的激光光吸引，原子会被定位在激光强度最大的点上。因此，现有技术在定位原子粒子的距离上受到了限制，无法用于探索在更短距离上发生的量子现象。

Ketterle解释说：“传统技术在500纳米处停止，这限制不是由原子本身，而是由光的波长决定的。我们现在找到了一种新的光的技巧，可以突破这个限制。”

团队的新方法，像当前技术一样，首先将一团原子冷却到大约1微开尔文，仅略高于绝对零度，此时原子几乎完全停止。然后，物理学家可以使用激光将这些冻结的粒子移动到所需的配置中。

接着，Du和他的合作者使用了两个具有不同频率或颜色和圆偏振（激光电场的方向）的激光束。当这两个光束穿过超冷的原子云时，原子可以将其自旋按照两个激光的偏振方向相反地排列。结果是，这两个光束产生了两组相同原子，只是自旋方向相反。

每个激光束形成了一个驻波，这是一个电场强度的周期性模式，空间周期为500纳米。由于它们的偏振方向不同，每个驻波吸引并限制了两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。激光可以叠加和调整，使得它们各自的峰值之间的距离小至50纳米，这意味着被每个激光峰值吸引的原子将被分隔开同样的50纳米。

但为了实现这一点，激光器必须非常稳定，并且对所有外部噪声免疫，例如来自摇晃或甚至对实验吹气。团队意识到他们可以通过将两个激光器通过一个光纤传输来稳定两个激光器，这有助于将光束相对于彼此锁定到位。

作为他们新技术的首次测试，团队使用了镝原子——一种稀土金属，是周期表中最强大的磁性元素之一，特别是在超冷温度下。然而，在原子尺度上，即使在500纳米的距离上，该元素的磁相互作用也相对较弱。与普通冰箱磁铁一样，原子之间的磁吸引力随着接近度的增加而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术能够将镝原子的距离缩小到50纳米，他们可能会观察到磁原子之间原本较弱的相互作用的出现。

团队将他们的技术应用于镝，首先将原子超冷，然后通过两个激光器将原子分成两个自旋组，或层。然后，他们通过光纤引导激光器以稳定它们，并发现确实，两层镝原子被吸引到各自激光峰值，实际上将原子层之间的距离分隔为50纳米——这是任何超冷原子实验能够实现的最近距离。

在这种极其接近的距离下，原子的自然磁相互作用显著增强，比它们相隔500纳米时要强1000倍。团队观察到这些相互作用导致了两种新的量子现象：集体振荡，其中一个层的振动导致另一个层同步振动；以及热化，其中一个层通过原子中的磁波动将热量传递给另一个层。

团队的结果引入了一种新技术，可以用来将多种类型的原子放置在近距离接触。他们还表明，放置得足够接近的原子可以表现出有趣的量子现象，这些现象可以用来构建新的量子材料，甚至可能用于量子计算机的磁性驱动原子系统。

Ketterle说：“我们真的正在将超分辨率方法引入该领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。有许多变体是可能的，我们正在研究。”

这项研究不仅展示了在量子技术领域的一项重大突破，而且强调了精确操控原子排列在量子计算和量子材料研究中的潜力。那么，您如何看待这种新技术在量子科学中的应用前景？您认为它将如何影响未来的量子技术发展？欢迎在评论区分享您的想法，与我们共同探讨量子科学的未来。

参考资料：DOI： 10.1126/science.adh3023