单个原子拍照：量子计算的全新诊断利器

如今，在照片中看到单个原子已是完全可能的事，这是成像技术的一大里程碑。那么，反过来呢？能否用一个原子来拍摄图像？

单个原子短期内不太可能取代智能手机摄像头，但原子确实可以用来测量光。日本冈崎分子科学研究所的一个研究团队，已利用这一特性研发出他们所称的"原子相机"，能够捕捉普通光学显微镜无法分辨的极细微光线图案。

这不仅仅是一项物理演示，原子相机也有望成为观察特定量子计算机内部结构的巧妙方式。该相机的研发团队同时也在构建以中性原子作为量子比特的量子计算机。

"我们期望原子相机能成为本实验室乃至全球类似研究项目的重要诊断工具，"分子科学研究所物理学家大森賢治（Kenji Ohmori）表示。

大森及其同事已于5月29日在《自然·通讯》期刊上发表了相关研究成果。

阵列

这款原子相机的核心部件是光学镊子——一种通过聚焦激光束夹住粒子从而实现捕获的仪器。光学镊子已成为处理原子的物理学家常用工具，能够捕捉原子并对其进行移动或定位。研究人员将一个铷-87原子冷却至接近绝对零度，并将其固定在光学镊子内。原子相机的原理，本质上是测量这个原子对外界环境的响应。当光照射到原子上时，会向某些电子传递能量，从而改变这些电子的能量状态。

通过观测这些能量状态的变化，研究人员可以测量光的强度或偏振特性。他们既可以测量镊子自身的光，也可以测量照射在原子上的另一束光图案。

然而，这些光图案远大于单个原子，如何将一个点的测量转化为完整图像？由于原子必须保持静止，研究人员只能将光图案本身在原子上移动扫描。他们每次将图案移动100纳米——向上、向下或向侧面——并在每一步测量光的强度或偏振状态。

最终，他们获得了一张二维测量图，并将其渲染成纳米级"照片"。研究人员用这种方法拍摄了多种不同的光图案。

冈崎的研究人员并非首批使用原子测量光的团队。自上世纪90年代起，物理学家们便尝试利用原子突破可见光的衍射极限，即普通光学仪器所能分辨的最小特征尺寸。原子远小于这一极限，因此理论上适当配置的原子可以分辨更细微的细节。

随着冷原子物理学的不断发展，越来越多的实验室开始尝试用光学镊子让原子发挥这一作用。2022年，位于巴塞罗那光子科学研究所和加州大学伯克利分校的两个研究组，分别独立地使用铷-87原子捕获了入射光的强度信息。伯克利团队达到了300纳米的分辨率，但他们认为这只是初步探索。

"我们曾设想该方法可以变得更加灵敏，"参与上述研究但未参与冈崎团队工作的物理学家丹·斯坦珀-康（Dan Stamper-Kurn）表示。

在早期研究中，伯克利团队关注的是相对较大的能量状态跃迁；而冈崎团队则转而测量一种与物理学家所称"超精细跃迁"相关的更为细微的变化。这种方法具有多项优势：一方面，冈崎团队除了测量光的强度外，还能测量其偏振特性；另一方面，超精细跃迁的灵敏度远更高——理论上，冈崎团队可以分辨小至25纳米的特征。（比这更小的尺度，量子不确定性便开始发挥作用。）

原子位置的测定越精确，分辨率就越高，这也是为什么原子必须保持尽可能静止的原因。

阵列

"原子相机"究竟能拍摄什么？物理学家们表示，其应用场景相当广泛。

"这项技术与很多领域都有关联，因为光学镊子正是我们当今许多实验中所使用的工具，"德国慕尼黑大学物理学家约翰尼斯·蔡尔（Johannes Zeiher）表示，他同样未参与冈崎团队的研究。

光学镊子在中性原子量子计算机领域尤为重要，冈崎团队正在构建的正是这类量子计算机。这类量子计算机以铷-87等原子为运行基础，将其冷却至接近绝对零度后置于真空腔中。光学镊子可以捕获充当量子比特的原子，并对其进行定位或移动。两个中性原子之间的计算操作，往往需要精确定位后用激光同时照射两者。

然而，这类光束几乎不可能完全均匀。即便是极细的光束，也可能包含各种细微差异，尤其是偏振方面的特性，这些特性可能干扰量子比特，导致其失去量子相干性而塌缩。因此，量子比特操作人员必须掌握光束的细节，但目前物理学界仍在寻找一种可靠的检测方法。

传统光学仪器通常不适合观察量子计算机真空腔内部，因为它们本身也很容易干扰量子比特。随着中性原子量子计算机的量子比特数量不断增加、控制复杂度持续提升，这一挑战也变得愈发棘手。

研究人员表示，他们的成果能够在极小尺度上同时绘制光的强度和偏振特性，是一种颇具吸引力的替代方案。

"与其从真空腔外部引入摄像头，不如直接使用量子实验环境内部现有的工具，"分子科学研究所物理学家富田隆史（Takafumi Tomita）表示，他也是该论文的作者之一。

Q&A

Q1：原子相机是什么原理？它是怎么拍照的？

A：原子相机的核心是光学镊子，将铷-87原子冷却至接近绝对零度后固定住。当光照射到原子时，会改变原子中电子的能量状态，通过测量这些变化来获取光的强度和偏振信息。由于原子必须静止，拍摄时需要将光图案在原子上逐步移动扫描，每次移动100纳米，最终将所有测量数据合成为一张纳米级"照片"。

Q2：原子相机的分辨率能达到多少？和普通显微镜相比怎么样？

A：理论上，冈崎团队的原子相机可以分辨小至25纳米的特征，比这更小则会受到量子不确定性的限制。普通光学显微镜受衍射极限约束，无法分辨如此细微的结构。相比之下，原子相机利用超精细跃迁原理，灵敏度远超2022年伯克利团队实现的300纳米分辨率，是目前同类技术中的重要突破。

Q3：原子相机对量子计算机有什么用？

A：在中性原子量子计算机中，光束的细微差异（尤其是偏振特性）可能干扰量子比特，导致量子相干性崩溃，影响计算结果。原子相机能在真空腔内部直接测量光的强度和偏振分布，无需从外部引入传统光学仪器，避免对量子比特造成干扰，可作为量子计算机的重要诊断工具，帮助研究人员精确了解内部光场状态。