美國研究人員利用激光冷卻解決科學難題

美國國家標準技術研究院（NIST）的研究小組最近宣布解決了一個棘手的科學難題，即如何控制單個帶電分子或分子離子的量子特性。關鍵是：利用擬用於未來量子計算機運算的類似「量子邏輯」操作。新技術像激光冷卻和其它技術控制原子一樣有效控制分子，具有廣泛的應用潛力。原子的量子控制將徹底改變原子物理學，引領諸如原子鐘一樣的應用，但激光冷卻與控制分子是非常有挑戰性，因為分子比原子複雜得多。新技術仍然使用激光，但只能輕微探測到分子，其量子狀態只能間接檢測到。這種類型的分子離子控制，即幾個帶電原子結合在一起，可以導致更加複雜的量子信息處理架構，放大了基本物理研究信號，例如測量電子形狀的「圓度」，並且增加了化學反應的控制。

NIST通過將信息轉移到原子離子的方法來找到分子離子的量子態，而量子態可以用激光冷卻和控制。借鑒NIST量子邏輯時鐘的想法，研究人員試圖操縱分子離子。NIST研究人員利用離子阱和正在進行量子邏輯時鐘實驗的激光，在室溫下高真空室中，捕獲了兩個離子相距幾百萬分之一的鈣離子。氫氣泄漏到真空室中，直到一個鈣離子反應形成由一個鈣離子和一個氫原子結合在一起的氫化鈣分子離子。

研究人員使用激光來冷卻原子離子，從而將分子冷卻到最低能量狀態。在室溫下，分子離子也處於其最低的電子和振動狀態，但保持在旋轉狀態的混合物中。研究人員應用紅外激光脈衝調製以防止離子的電子或振動狀態發生變化，以驅動分子在超過100種可能旋轉狀態中的兩種之間的獨特轉化，再用一個額外的激光脈衝來轉換共享運動的變化，改變原子離子的內部能量水平。之後，原子離子開始散射光，表明分子離子的狀態已經改變，並且處於期望的目標狀態。隨後，研究人員可以將激光誘導躍遷期間發射和吸收的光角傳遞到例如定向分子在所需方向的旋轉狀態。

該研究發表於5月11日的《自然》雜誌上，由NIST博德（Boulder）小組執行。該小組曾於1978年進行過第一次原子激光冷卻實驗。

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