原子，光子和其他量子粒子本质上通常是反复无常的; 很少处于停滞状态，他们经常与同类中的其他人发生碰撞。但是，如果这些粒子可以被大量单独控制和控制，它们可以被用作量子比特或量子比特 - 信息的微小单位，其状态或方向可以用于以比现在的半导体计算机快得多的速率进行计算芯片。

近年来，科学家们提出了分离和操纵单个量子粒子的方法。但是这些技术难以扩大，缺乏可靠的操作大量原子的方法仍然是量子计算的重大障碍。

现在，来自哈佛大学和麻省理工学院的科学家已经找到了应对这一挑战的方法。在发表在“ 科学 ”杂志上的一篇论文中，研究人员报告了一种新方法，该方法使他们能够使用激光作为光学“镊子”从云中拾取单个原子并将它们固定到位。由于原子被“困住”，科学家们使用相机来创建原子及其位置的图像。基于这些图像，他们然后操纵激光束的角度，将单个原子移动到任何数量的不同配置。

到目前为止，该团队已经创建了50个原子的阵列，并将它们操纵成各种无缺陷模式，并采用单原子控制。该论文的作者之一，麻省理工学院Lester Wolfe物理学教授Vladan Vuletic将这个过程比作“从底部开始构建一个小的原子晶体”。

“我们已经展示了一个可重构的单原子陷阱阵列，我们可以确定地在单独的陷阱中准备多达50个单独的原子，以备将来用于量子信息处理，量子模拟或精确测量，”Vuletic说，他也是麻省理工学院电子研究实验室成员。“就像你积累的原子乐高积木一样，你可以决定每个街区的位置。”

该论文的其他资深作者是哈佛大学的主要作者Manuel Endres和Markus Greiner以及Mikhail Lukin。

保持中立

该团队设计了它的技术来操纵中性原子，这些原子不带电荷。大多数其他量子实验涉及带电原子或离子，因为它们的电荷使它们更容易被捕获。科学家们还表明，在某些条件下，离子可以用来执行量子门 - 两个量子位之间的逻辑运算，类似于经典电路中的逻辑门。然而，由于它们的带电性质，离子彼此排斥并且难以在密集阵列中组装。

另一方面，中性原子没有接近的问题。使用中性原子作为量子比特的主要障碍是，与离子不同，它们经受非常微弱的力并且不容易保持在原位。

“诀窍是捕获它们，特别是捕获它们中的许多，”Vuletic说。“人们已经能够捕获许多中性原子，但不能以某种方式与它们形成规则结构。对于量子计算，您需要能够通过单独控制将特定原子移动到特定位置。“

设置陷阱

为了捕获单个中性原子，研究人员首先使用激光将铷原子云冷却到接近绝对零度的超冷，使原子从通常的高速轨迹减速。然后，他们将第二个激光束引导通过仪器，该仪器将激光束分成许多较小的光束，其数量和角度取决于施加到偏转器的射频。

研究人员将较小的激光束聚焦在超冷原子云中，发现每个光束的焦点 - 光束强度最高的点 - 吸引了一个原子，基本上将它从云中取出并将其固定到位。

“这类似于通过摩擦羊毛，并用它来拾取小纸片来充电梳子，”Vuletic说。“这是与原子类似的过程，它被光场的高强度区域所吸引。”

当原子被捕获时，它们会发光，科学家们使用电荷耦合器件相机拍摄。通过观察他们的图像，研究人员能够辨别哪些激光束或镊子持有原子，哪些不是。然后他们可以改变每个光束的射频以“关闭”没有原子的镊子，并用原子重新排列，以创建没有缺陷的阵列。该团队最终创建了50个原子的阵列，这些原子被固定了几秒钟。

“问题始终是，你能在这段时间内完成多少量子操作?”Vuletic说。“中性原子的典型时间尺度约为10微秒，因此您可以在一秒钟内完成大约100,000次操作。我们现在认为这一生很好。“

现在，该团队正在调查他们是否可以鼓励中性原子执行量子门 - 这是两个量子比特之间最基本的信息处理。虽然其他人已经在两个中性原子之间证明了这一点，但他们无法在涉及大量原子的系统中保留量子门。如果Vuletic和他的同事能够在50个或更多原子的系统中成功地诱导量子门，他们将朝着实现量子计算迈出重要的一步。

“除了量子计算之外，人们还希望进行其他实验，例如模拟凝聚态物理，使用预定数量的原子，现在使用这种技术应该是可能的，”Vuletic说。“这是非常令人兴奋。”