物理學家新發現：奇特原子效應或為量子計算帶來強力助推

研究人員正積極探索多層級原子互動作用，企圖強化量子糾纏。透過利用鍶元素中的亞穩態，他們展示了光子交換如何維持原子間的關聯性，在處理複雜的長距離互動作用之際，為量子計算帶來嶄新的可能性。

原子與光的互動方式，在很大程度上塑造了我們所處的物理世界，但這些互動作用極為複雜。理解並控制它們，是推進量子技術的一大挑戰。

為了研究原子如何透過光交換能量，科學家常聚焦於兩個能階——基態和激發態，以此簡化系統。在此模型中，原子宛如微小的天線，能傳送和接收訊號。當晶格中的原子被激發，最終會透過發射光子回到基態。此光子不會逸出系統，而是被附近處於基態的原子吸收，從而轉移激發態。這個稱為偶極 - 偶極互動作用的過程，讓原子即便沒有直接接觸，也能相互溝通和作用。

JILA和美國國家標準與技術研究院（NIST）研究員、科羅拉多大學博爾德分校物理學教授安娜・瑪麗亞・雷伊解釋道，儘管基本概念很簡單，但當眾多原子間交換大量光子時，系統狀態很快就會產生關聯，或者說高度糾纏。「我不能將單個原子視為獨立的個體，而是要追蹤它的狀態如何依賴於陣列中其他眾多原子的狀態。以目前的計算方法，這是難以處理的。在沒有外部驅動的情況下，所產生的糾纏通常會消失，因為所有原子都會弛豫到基態。」

然而，原子的能階不止兩個。如果系統動力學中允許超過兩個內部能階參與，互動作用將發生巨大變化。在只有一個光子且陣列中最多隻有一個激發態原子的雙能階系統（弱激發）中，只需追蹤單一激發態原子即可。雖然在數值上易於處理，但對量子技術而言幫助不大，因為此時的原子更像是經典天線。

相反，若每個原子僅增加一個基態能階，即便只有一次激發，系統可達到的配置數量也會呈指數級增長，大大增加了複雜度。理解多能階環境下的原子 - 光互動作用是極其困難的問題，直至如今，理論家和實驗家都未能攻克。

雷伊解釋說：「然而，它可能極具用處，不僅是因為它能產生高度糾纏態，而且在沒有驅動的情況下也能保持，因為基態能階的原子不會衰變。」

近期，雷伊、JILA和NIST研究員詹姆斯・K・湯普森，以及斯特拉斯堡大學的研究生薩娜・阿加沃爾和研究員阿西爾・皮涅羅・奧裡奧利，在發表於《物理評論快報》的一項研究中，研究了有效四能階原子（兩個基態或亞穩態，以及兩個激發態，排列在特定的一維和二維晶格中）的原子 - 光互動作用。

論文第一作者阿加沃爾表示：「我們知道，納入原子完整的多能階結構，能為我們帶來更豐富的物理現象和新的效應，這對糾纏態的產生很有前景。鑑於量子計算和安全通訊等量子技術都需要糾纏，理解如何建立穩定、相互連線的原子系統已成為當務之急。」

在這項研究中，研究人員專注於分離鍶原子中的四個能階，這些原子以一維（1D）或二維（2D）配置排列，且處於一種特殊構型，彼此間的距離比用於激發它們的雷射光波長更近。

研究聚焦於一組內部能階，其能量間隔比典型的光學躍遷小得多。他們建議使用亞穩態能階，而非真正的基態能階，原子可在亞穩態停留很長時間。

湯普森表示：「這個非常有趣的能階組此前鮮有研究，因為它需要波長很長的特殊雷射，而我計劃在實驗室配備此雷射。我們打算在實驗室建立必要的條件，首先將原子擊入能長時間存在的激發態。」這將使他們能利用鍶元素中所謂的亞穩態激發態3P2與另一激發態3D3之間2.9微米波長的躍遷。此波長比實驗室光晶格中捕獲的相鄰原子間的通常間隔長約八倍。透過使躍遷波長遠長於捕獲光的波長，當原子緊密排列時，就能透過光子交換實現強烈且可程式設計的互動作用。

阿加沃爾補充道：「原子必須靠得很近，因為互動作用會隨距離衰減，最終可能因其他退相干（噪音）源而消失。保持原子間的接近，能使互動作用佔主導，維持糾纏的增長。」

研究團隊聚焦於弱且遠離共振的區域，在此區域中，原子可進行虛光子交換，即在基態間轉移光子，而不會永久佔據激發態。

阿加沃爾補充說：「透過交換光子，原子實際上只是在基態能階的不同配置間移動，這減少了系統可達到的狀態數量，簡化了我們的計算。更容易忽略激發態，專注於亞穩態的動力學，在這裡我們觀察到了不斷增長的關聯性，而且在雷射關閉後，這種關聯性仍能保持。」

在激發態只是虛佔據，且只有原子可處於亞穩態能階的區域中，四能階問題可在處理更複雜互動作用（不僅涉及成對互動作用，還包括多原子互動作用）的代價下，簡化為雙能階系統。

雷伊解釋道：「我們聚焦於遠離共振的區域，在這個區域中，在主要近似下，任一時刻只有兩個原子相互作用。在這種情況下，描述亞穩態動力學的哈密頓量可對映回一個特徵明確的自旋模型。」

研究團隊利用這個知名模型，研究晶格排列中的自旋波——原子自旋的協調低能量激發。此外，透過控制激發原子的雷射光子的偏振和傳播方向，研究人員可確定哪種自旋波模式會主要產生糾纏。所觀察到的糾纏是自旋壓縮，這是一種特殊形式的糾纏，對外部噪音更敏感，因此在計量學中很有用。

阿加沃爾表示：「我們系統中的自旋壓縮可透過實驗測量，並可作為量子糾纏的證據。我們的實驗裝置在模擬多體物理方面也有潛在應用。」

這一發現尤為重要，它意味著量子系統可長時間維持糾纏，無需不斷幹預以防止退相干。

儘管研究團隊的模型提供了有前景的見解，但在長時間精確模擬系統方面仍存在侷限性。其中一個關鍵限制源於偶極 - 偶極互動作用，與更簡單的互動作用不同，它涉及長距離力，能使晶格中近距和遠距的原子相互耦合。此外，這些耦合是各向異性的，取決於原子偶極的相對取向，使系統更為複雜。晶格中沿不同方向排列的每個原子，與其鄰近原子的互動作用都不同，導致整個陣列的互動作用強度和符號各異。

其他為短距互動作用設計的常用模擬技術，在應用於長距互動作用時會失效，因為它們無法處理隨時間發展的眾多關聯性。儘管一些其他方法更適用於長距原子互動作用，但由於計算複雜度，它們限於少量原子，限制了研究人員觀察大型系統中關聯性長時間演變的能力。

研究團隊的發現，可能為量子資訊科學和量子計算開闢新途徑，為高度糾纏且可擴充套件的量子系統的發展提供潛在方向。

阿加沃爾表示：「我們正逐步接近能可靠維持糾纏的系統，這是未來量子應用的關鍵一步。」

展望未來，研究團隊計劃探索更廣泛的多能階系統如何增強糾纏潛力。

阿加沃爾說：「在像鍶這樣的原子中，每個原子有高達10個基態和激發態能階，複雜度顯著增加，我們想看看這對糾纏有何影響。此外，雖然我們在此聚焦於自由空間中原子間的互動作用，但一個有趣的拓展方向是，理解當原子置於光腔或奈米光子器件中時，這些互動作用如何與額外的光子介導互動作用相互影響。」

湯普森表示：「腔光子介導的無限範圍互動作用，與此處描述的偶極 - 偶極互動作用之間的競爭，可能為利用光介導量子門、糾纏分佈和可程式設計量子多體物理帶來絕佳機會。」

參考文獻：薩娜・阿加沃爾、A. 皮涅羅・奧裡奧利、J. K. 湯普森和A. M. 雷伊於2024年12月3日發表的《透過偶極互動作用在弱驅動多能階原子陣列中產生糾纏》，《物理評論快報》。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.233003

本研究得到了範內瓦・布什教職員研究金（VBFF）、美國國家科學基金會（NSF）、實驗室天體物理 - 物理前沿聯合研究所（JILA - PFC）、量子系統加速器（QSA）以及美國國家標準與技術研究院（NIST）的支援。