北京
一个被囚禁的离子揭示了紧聚焦光会以意想不到的方式表现，暴露出一种微妙的隐藏量子效应。
旋转的乒乓球会突然偏离其预期路径。这就是所谓的马格努斯效应。
令人惊讶的是，物理学家现在发现，在紧聚焦的激光束中隐藏着类似效应的光学版本——只不过这里的“球”是一个单离子，而且侧向偏移仅有几百纳米。
在一项独一无二的实验中，一组研究人员首次在单个囚禁离子中观测到了光学马格努斯效应，表明光与原子相互作用最强的点可以偏离光束的表观中心。
“我们直接观测并空间映射了马格努斯效应的光学类比，”研究作者指出。
这一发现可能对量子计算机具有重要意义，因为量子计算机使用激光来操控量子比特，即使是相互作用中的微小变化也可能影响量子操作的准确性。
将离子变成光传感器
这个难题始于一个看似显而易见的假设。如果激光在其中心最亮，那么那里也应该是它与原子相互作用最强的地方。然而，紧聚焦光会改变其电磁结构。通常可以忽略的场分量变得重要起来，产生偏振梯度和纵向电场。
这种侧向光力的可能性此前已在理论上被预言。在2020年的一项研究中，物理学家罗伯特·斯普鲁乌提出，光可以产生类似于马格努斯效应的离轴力。但在原子尺度上直接绘制这种效应仍然十分困难。
这项新实验使用了一个被囚禁在电磁离子阱中几乎静止不动的单个钙-40离子。研究人员将一束紧聚焦的729纳米激光对准该离子，并以极其精细的控制方式使光束扫过离子。
类似的单离子电磁场映射技术正在被探索，用于理解可能影响量子硬件的微小扰动。
这个离子实际上变成了一个微型探针。通过测量激光在不同位置驱动离子量子态之间跃迁的强度，研究人员可以确定相互作用最强的位置。
“我们的离子就像一个微型传感器，我们可以用它来感知激光束的结构。这使得我们能够测量仅几百纳米的偏移，”苏黎世联邦理工学院的首席研究员兼学生菲利普·莱因德克尔说。
隐藏的偏移变得清晰可见
得到的图谱显示，最强的原子-光相互作用从光束中心发生了侧向位移，位移方式取决于离子的内部量子态——这是光学马格努斯效应的标志性特征。
对于两种不同的跃迁，研究人员测得的位移分别约为240±16纳米和463±20纳米，与他们的理论预测值约232纳米和464纳米高度吻合。
研究团队还使用相位敏感测量来表征紧聚焦光束产生的横向偏振梯度。
这种效应与旋转球体受到侧向力的方式密切相关，但有一个重要区别。在这里，没有任何类似于球的物体在空间中实际弯曲运动。相反，光本身的结构改变了原子-光相互作用最强的位置。
这一点很重要，因为用于操控囚禁离子量子比特的光场同样可能将量子比特的内部状态与其运动耦合起来。如果不考虑这些空间偏移和偏振梯度，它们可能会在量子操作过程中引入误差。
因此，研究人员的测量提供了一种理解和考量此前难以直接观测的效应的方法。
一个可能成为工具的问题
这一发现的意义不仅仅是发现了一个熟悉的运动效应的微观版本。它可能帮助研究人员为量子技术设计更精确的光学控制方案。
2023年的一项理论研究提出利用马格努斯效应在囚禁离子量子比特之间产生相互作用，而后续工作已经展示了利用横向偏振梯度实现相关的纠缠操作。
本实验使用了相关的横向偏振梯度，而非直接展示光学马格努斯效应本身。相关的囚禁离子量子计算系统已经依赖于精确控制的激光操作来操控量子比特。
“它产生的力可以用来将量子比特相互耦合，从而实现更复杂的计算，”莱因德克尔补充道。
目前的实验并未展示基于光学马格努斯效应的量子计算机。相反，它建立并测量了基础物理机制，为研究人员提供了紧聚焦光与单离子相互作用的详细图景。
要将测量到的效应转化为实用的量子控制工具，研究人员需要理解和管理剩余的光学不完美之处。这一点在研究人员致力于实现更稳定的量子操作和更大规模的量子处理器时尤为重要，因为即使是很小的误差源也可能变得越来越重要。
该研究发表在《物理评论快报》期刊上。
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