量子突破，麻省理工学院实现了前所未有的原子接近

诸平

Fig. 1 MIT physicists developed a technique to arrange atoms (represented as spheres with arrows) in much closer proximity than previously possible, down to 50 nanometers. The group plans to use the method to manipulate atoms into configurations that could generate the first purely magnetic quantum gate — a key building block for a new type of quantum computer. In this image, the magnetic interaction is represented by the colorful lines. Credit: Courtesy of the researchers; MIT News

Fig. 2 Lasers of different colors are used for cooling and capturing dysprosium atoms. Credit: Courtesy of the researchers

Fig. 3 Graduate students Li Du, left, and Yu-Kun Lu adjust the control electronics of the laser systems. Credit: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院（MIT）2024年5月12日提供的消息，麻省理工学院实现了前所未有的原子接近（Quantum Breakthrough As MIT Achieves Unprecedented Atomic Proximity）。这项技术为探索物质的奇异状态和构建新的量子材料提供了可能性。

接近是许多量子现象的关键，因为当粒子靠近时，原子之间的相互作用更强。在许多量子模拟器中，科学家将原子尽可能地排列在一起，以探索物质的奇异状态并构建新的量子材料。

原子排列的突破（Breakthrough in Atom Arrangement）

他们通常是这样做的:将原子冷却到静止状态，然后使用激光将粒子放置在距离500 nm的地方，这个距离是由光的波长设定的。现在，MIT的物理学家们已经开发出一种技术，可以让他们把原子排列得更近，只有50 nm。作为背景，一个红细胞大约有1000 nm宽。

物理学家在镝(dysprosium, Dy)的实验中展示了这种新方法，镝是自然界中磁性最强的原子。他们使用这种新方法来操纵两层镝原子，并将这两层精确地间隔50 nm。在这种极端接近的情况下，磁相互作用比层间距为500 nm时强1000倍。

增强磁效应(Enhanced Magnetic Effects)

更重要的是，科学家们能够测量到原子接近引起的两种新效应。它们增强的磁力引起了热化（“thermalization”），或者热量从一层传递到另一层，以及层与层之间的同步振荡。随着各层之间的间隔越来越远，这些影响逐渐消失。

MIT的约翰·麦克阿瑟物理学教授（John D. MacArthur Professor of Physics at MIT）沃尔夫冈·凯特勒（Wolfgang Ketterle）说:“我们已经把原子的间距从500 nm提高到50 nm，而且你可以用它做很多事情。在50 nm，原子的行为是如此的不同，我们真的进入了一个新的体制。”

沃尔夫冈·凯特勒和他的同事指出，这种新方法可以应用于许多其他原子来研究量子现象。对于他们来说，该小组计划使用这项技术来操纵原子形成可以产生第一个纯磁性量子门的结构，这是一种新型量子计算机的关键组成部分。

该团队在2024年5月2日的《科学》（Science）杂志网站上发表了他们的研究结果——Li Du, Pierre Barral, Michael Cantara, Julius de Hond, Yu-Kun Lu, Wolfgang Ketterle. Atomic physics on a 50-nm scale: Realization of a bilayer system of dipolar atoms. Science, 2024, 384(6695): 546-551. DOI: 10.1126/science.adh3023. Published: 2 May 2024. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3023

该研究的共同作者包括第一作者、物理学研究生杜礼（Li Du音译），以及皮埃尔·巴拉尔（Pierre Barral）、迈克尔·坎塔拉（Michael Cantara）、朱利斯·德·洪（Julius de Hond）和吕玉坤（Yu-Kun Lu音译），他们都是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms）、MIT物理系和电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）的成员。

用激光操纵原子（Manipulating Atoms with Lasers）

为了操纵和排列原子，物理学家通常首先将原子云冷却到接近绝对零度的温度，然后使用激光束系统将原子聚集到一个光学陷阱中。

激光是一种具有特定波长(电场最大值之间的距离)和频率的电磁波。波长限制了光可以形成的最小图案，通常为500 nm，即所谓的光学分辨率限制。由于原子被一定频率的激光所吸引，原子将被定位在激光强度的峰值处。由于这个原因，现有的技术在定位原子粒子的距离上受到限制，而且无法用于探索发生在更短距离的现象。

“传统的技术止步于500 nm，不受原子的限制，而是受光的波长的限制。我们现在发现了一种新的光的技巧，我们可以突破这个极限，”沃尔夫冈·凯特勒解释说。

这个团队的新方法，就像目前的技术一样，首先将原子云冷却到大约1微开尔文（1 mK），只比绝对零度高一点点，在这个温度下，原子接近静止。然后，物理学家可以使用激光将冻结的粒子移动到所需的结构中。

然后，杜礼和他的合作者使用两束激光，每束都有不同的频率或颜色，和圆偏振，或激光电场的方向。当两束激光穿过超冷的原子云时，原子可以根据两束激光中的任何一束的偏振方向，将它们的自旋定向到相反的方向。结果是，光束产生了两组相同的原子，只是自旋相反。

每个激光束形成一个驻波，一个空间周期为500 nm的电场强度的周期性模式。由于它们的极化不同，每个驻波吸引并包围了两组原子中的一组，这取决于它们的自旋。这些激光可以被叠加和调谐，使它们各自的峰值之间的距离小到50 nm，这意味着被每束激光各自的峰值吸引的原子之间相距同样都是50 nm。

但为了实现这一目标，激光必须非常稳定，并且不受所有外部噪音的影响，比如实验中的震动甚至呼吸。该团队意识到，他们可以通过引导两束激光通过光纤来稳定它们，光纤可以将光束锁定在彼此相关的位置。

杜礼说：“通过光纤发送两束激光束的想法意味着整个机器可能会剧烈震动，但两束激光束相对保持绝对稳定。”

磁力和量子现象（Magnetic Forces and Quantum Phenomena）

作为他们新技术的第一次测试，研究小组使用了镝原子，镝是一种稀土金属，是元素周期表中磁性最强的元素之一，尤其是在超冷的温度下。然而，在原子尺度上，即使在500 nm的距离上，元素的磁相互作用也相对较弱。就像普通的冰箱磁铁一样，原子之间的磁性吸引力随着距离的靠近而增加，科学家们怀疑，如果他们的新技术可以使镝原子之间的距离接近50 nm，他们可能会观察到磁性原子之间弱相互作用的出现。

“我们可能会突然出现磁相互作用，这种相互作用过去几乎可以忽略不计，但现在非常强大，”沃尔夫冈·凯特勒说。

该团队将他们的技术应用于镝，首先对原子进行过冷，然后通过两束激光将原子分裂成两个自旋基团或层。然后，他们引导激光通过一根光纤来稳定它们，并发现确实两层镝原子被吸引到各自的激光峰，这实际上将原子层分开了50 nm，这是任何超冷原子实验都能达到的最近距离。

在这种极近的距离下，原子的自然磁相互作用显著增强，并且比它们相距500 nm时强1000倍。研究小组观察到，这些相互作用导致了两种新的量子现象:集体振荡，其中一层的振动导致另一层同步振动;还有热化，一层将热量传递给另一层，纯粹是通过原子的磁波动(magnetic fluctuations)。

杜礼指出，“到目前为止，原子之间的热量只有在它们处于相同的物理空间并且可以碰撞时才能交换。现在我们看到了原子层，被真空隔开，它们通过波动的磁场交换热量。”

对量子技术的影响（Implications for Quantum Technology）

该团队的研究结果引入了一种新技术，可用于近距离定位多种类型的原子。他们还表明，原子如果放置得足够近，可以表现出有趣的量子现象，可以用来构建新的量子材料，并有可能用于量子计算机的磁驱动原子系统。

沃尔夫冈·凯特勒说:“我们正在将超分辨率方法引入该领域，它将成为进行量子模拟的通用工具。还有很多可能的变体存在，我们正在进行研究。”

这项研究得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）和美国国防部（Department of Defense）的部分资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Editor’s summary

Dipolar interactions between atoms with large dipole moments can be exploited for quantum simulation. Increasing these interactions could be accomplished by bringing the atoms close together. Du et al. addressed this challenge by creating a bilayer system of dipolar dysprosium atoms with the layers separated by a distance of about 50 nanometers. This setup enabled the researchers to create oscillations in one layer by acting on the other in an experiment related to Coulomb drag measurements in solid-state systems. —Jelena Stajic

Abstract

Controlling ultracold atoms with laser light has greatly advanced quantum science. The wavelength of light sets a typical length scale for most experiments to the order of 500 nanometers (nm) or greater. In this work, we implemented a super-resolution technique that localizes and arranges atoms on a sub–50-nm scale, without any fundamental limit in resolution. We demonstrate this technique by creating a bilayer of dysprosium atoms and observing dipolar interactions between two physically separated layers through interlayer sympathetic cooling and coupled collective excitations. At 50-nm distance, dipolar interactions are 1000 times stronger than at 500 nm. For two atoms in optical tweezers, this should enable purely magnetic dipolar gates with kilohertz speed.