MIT实现基于分子的量子计算，“超级冰箱”把把分子冷却到纳米开尔文级别

2020-04-10 16:21:00来源：新智元

多年来，科学家一直在寻找将分子冷却至超冷温度的方法。这个状态下，分子运动会极为缓慢，从而使科学家能够精确控制其量子行为，这样就或许可以把分子作为复杂的位来使用，以进行量子计算——像微小的旋钮一样调节单个分子，一次执行多个计算流。

尽管科学家已成功使原子过冷，但是否可以将其应用到行为和结构更复杂的分子上?这是个更大的挑战。

碰撞冷却成功把分子冷却到纳米开尔文级别

现在，MIT的物理学家已经找到了一种方法，可以将钠锂分子冷却到开尔文的2000亿分之一，仅比绝对零度高一点。他们通过应用一种称为碰撞冷却的技术来做到这一点，在该技术中，他们将冷钠锂分子浸入了钠原子甚至更冷的云中。超冷原子充当制冷剂以进一步冷却分子。

一种新的分子冰箱。钠原子(黄色球体)与钠锂分子(组合的黄色红色球体)碰撞。

碰撞冷却是用于使用其他较冷原子冷却原子的标准技术。十多年来，研究人员试图通过碰撞冷却使许多不同的分子达到“过冷”，但结果发现，当分子与原子碰撞时，它们交换能量的方式会使分子在此过程中被加热或破坏，所以这属于 “不良”碰撞。

在实验中，MIT研究人员发现，如果使钠锂分子和钠原子以相同的方式旋转，它们就可以避免自毁，进行“好”的碰撞，使原子以热的形式带走分子的能量。该团队使用精确的磁场控制和复杂的激光系统来编排分子的自旋和旋转运动。结果，原子-分子混合物具有高的“好”碰撞比率，并从2微开尔文冷却到了220纳米开尔文。

“碰撞冷却一直是冷却原子的核心方法，” 诺贝尔奖获得者、MIT John D. Arthur物理学讲席教授Wolfgang Ketterle补充道。“我本不相信我们的方案会奏效，但是既然我们不确定，所以就尝试一下。现在我们知道了，碰撞冷却可以冷却钠锂分子。它是否适用于其他种类的分子还有待观察。”

他们的发现发表在今天的Nature上。

从左到右：麻省理工学院物理研究生Yukun Lu和Juliana Park，Alan Jamison(滑铁卢大学物理教授，麻省理工学院电子研究实验室客座科学家)，Wolfgang Ketterle(麻省理工学院首席研究员，物理教授)和Hyungmok Son(哈佛物理研究生，论文一作)。

如何达到超低温?

过去，科学家发现，当他们试图通过用更冷的原子包围分子以将其冷却至超冷温度时，粒子发生碰撞，从而使原子赋予了分子更多的能量或旋转，使它们飞离陷阱，或者通过化学反应一起自我毁灭。

MIT的研究人员想知道，具有相同自旋的分子和原子是否可以避免这种影响，并因此保持超冷和稳定。

他们希望用他们常用的钠锂分子来测试他们的想法，它由一个锂和一个钠原子组成，具有某些适用于冷却工作的特殊性质。

研究人员对一个由20多个激光束和各种磁场组成的系统进行了微调，以在真空室内将钠和锂的原子俘获并冷却，冷却至大约2微开尔文，以便于其结合成钠锂分子。

一旦研究人员能够产生足够的分子，他们就会发出特定频率和偏振的激光束，以控制分子的量子态，并仔细调谐微波场，使原子以与分子相同的方式旋转。Jamison说：“然后，我们使冰箱变得越来越冷。”——冰箱即那些围绕着新形成的分子云的钠原子。“我们降低了捕获激光器的功率，使光阱变得越来越松散，这使钠原子的温度下降，并使分子进一步冷却至两千亿分之一开尔文。”

该小组观察到这些分子能够在这些超冷温度下停留长达一秒钟。“在分子和原子的世界中，一秒钟非常长，” Ketterle说。“我们期望用这些分子进行量子计算和探索新材料，所有这些工作都可以在不到一秒钟的时间内完成。”

如果研究小组能使钠锂分子的温度比目前已达到的温度再低五倍，那么它们将达到所谓的量子简并状态：其中单个分子变得难以区分，并且其集体行为将由量子力学控制。科学家们将在之后的几个月中试图实现这一目标。

Jamison说：“我们的工作将引起学科内部的讨论，为什么碰撞冷却对钠锂分子有用，而对其他分子却无效。也许我们很快就可以预测如何以这种方式冷却其他分子。”

这项研究部分由美国国家科学基金会，美国宇航局和三星奖学金资助