美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards and Technology;NIST)利用雷射極度冷卻原子,打造出世界上最準確的原子鐘。如今,研究人員持續擴展這項研究,展示如何用雷射控制整個分子離子的量子特性,從而為未來的量子電腦作好準備。

NIST的解決方案就發表於最新一期的《自然》(Nature)期刊,讓量子邏輯運算能透過雷射驅動基於量子力學原理的最新原子鐘,從而控制未來量子電腦的分子(如下圖)。

20170511_Quantum_NT01P1 NIST提出控制整個分子之量子態的6個步驟 (來源:N. Hanacek/NIST)

由於該技術使用雷射極度冷卻分子,其探測和量子操作非常溫和,而不至於擾亂其微妙的量子態。到目前為止,研究人員已能透過中介原子,使其從一種分子態轉移到另一種分子狀態,並期望能進一步建構更複雜的結構,實現放大訊號、測量電子的「形狀」、提高化學反應控制以及其他下一代量子資訊處理步驟等。

這項研究是由NIST物理學家James Chin-wen Chou、Dietrich Leibfried及其研究團隊共同進行,因應量子「控制單元」指令製造分子,使其得以保持記憶值、執行超高精確的測量法,以及執行雜的量子資訊操作。透過控制分子離子的電子、振動和旋轉狀態,就能將量子資訊傳遞到其他離子,而能為較大的量子計算單元實現同步操作。

研究人員使用具有兩個鈣離子的高真空容器,兩鈣離子之間僅有微米間隔,並持續洩漏其中的氫氣,直到形成氫化鈣(CaH+)分子離子。兩種帶電分子離子的排斥作用引發彈簧狀作用,並以雷射冷卻至其最低能量狀態。然後再用脈衝雷射將離子驅動至所需的量子態,並分別以雷射和光偵測器吸收和發射的光進行測量。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum Molecules Compute,by R. Colin Johnson)