導讀：連貫地在固態系統中對原子缺陷的量子態進行操縱的能力是發展 量子技術平臺的最有前景的途徑。一個成功的平臺需要許多具有相似性的許多量子比特進行相互作用，同時要求具備對每個比特進行地址追尋的能力。并且，直到今天，滿足這一要求的手段可謂背道而馳 。Chen等人設計了一個光學頻域法 為主導的辦法，基于此辦法可以同時對許多單個的稀土離子缺陷進行追蹤，并且均在控制光的衍射極限的分離范圍內。因為這一辦法具有可以稱量10倍或成百倍數的缺陷的能力，這一辦法提供了實現真實的大規模量子處理的能力。

普林斯頓大學發展的測量和控制量子旋轉的辦法進行藝術渲染后的照片

當原子相互靠近的非常近（極端近）的時候，他們之間就會發生有趣的互動 ，這可以用來制造出新一代的計算機和其他技術。這些相互作用在量子物理的真實王國中的研究被證明是在實驗研究中非常難以開展相應研究的，這是因為光學顯微鏡技術的限制。

但這一困境被來自美國普林斯頓大學的研究團隊攻克了，Jeff Thompson，系普林斯頓大學電子工程系的助理教授，發展了一個新的控制和測量原子的辦法，可以實現非常近距離的清晰的觀察原子并區分他們，卻不需要采用光學透鏡來觀察。

這一新辦法發表在10月30日出版的頂刊雜志《Science》上，他們的辦法是采用一個精細調制在納米尺度光電路范圍內的激光來激發晶體中的密排鉺原子，使得研究人員可以解決和控制多個原子，而不需要依靠他們的空間數據。

在使用傳統的光學顯微鏡進行觀察的時候，兩個原子之間的空間會在他們之間的分離開的距離低于一定的稱之衍射極限的距離時就會發生有效的消失，這一距離粗略的等于光的波長。這一現象同遙遠的兩顆星星在星空中好似一個光點一樣。然而，這也是原子開始相互最用和逐漸富集和使得量子機械行為讓人們感興趣的原因。

來自加州理工學院的物理學家Andrei Faraon，是從事該項目研究的一個教授，說到：我們經常在尋思，在最基本的層面上，在固體中，在晶體內，原子到底是如何進行行為的。他們又是如何進行相互作用的，這次發表在《Science》中的這篇論文為撥云見霧的清晰的研究原子打開了一扇窗戶。

研究原子及其他們在微小的間距中的相互作用，使得科學家可以測量和控制量子的性質，這就是眾所周知的旋轉。作為一種形式上的動量，旋轉通常被描述成要么升起要么下降的（或者同時進行，如果同時進行的話則是另外一種狀態）。當兩個原子之間的距離逐漸消失，幾乎不存在的時候，大約只有十億分之一米的時候，一個原子的旋轉就會對另外一個原子的旋轉施加影響，同時，反之亦然，另外一個原子也會對這個原子施加影響。當原子的自旋在這一真實王國中相互作用的時候，他們就會發生糾纏，科學家們就將這描述為兩個或者多個粒子，這些粒子相互之間就會產生千絲萬縷 的關系。糾纏的粒子的行為相互分享并相互共存，不管距離有多遠，他們的作用最終會發生。糾纏是量子力學區分于經典世界的最為重要的現象，并且是量子技術能夠得到應用的中心所在。這一來自普林斯頓大學的研究辦法為科學家研究原子的旋轉的相互作用 進入史無前例的清晰的境地開辟了新的途徑。

普林斯頓大學研究的這一辦法的一個最重要的特征就是使得同時追蹤成百上千個原子成為可能，這為量子的實驗研究提供了豐富的信息，獲得了經驗數據。這對物理學家來說是一個好消息，使得物理學家期望解密原子的神秘性成為可能，這些 神秘性包括糾纏的詭異本質。

這一需求并非只有內行才懂的。在過去的幾十年里，工程人員一直在探求量子現象以求能夠制造出復雜的用于信息處理和通訊的復雜技術，包括從新興量子計算機 的邏輯構建塊，可以解決不可能的問題，到 超安全通信方法 可以連接機器到不可鎖定量子互聯網。為了進一步的發展這些系統，科學家則需要可靠的量子糾纏和探究其糾纏同解碼和過程信息之間的關系。

Thompson的研究團隊在鉺中看到了這一機會。傳統上用于激光和磁鐵中，鉺并沒有被廣泛的開發用于量子系統中，依據研究人員的研究結果，這是因為比較難以觀察的緣故。這一研究團隊在2018年取得了突破，發展了一個通過鉺原子來發射光的辦法，并且探測到極端有效的信號。現在，他們在這一方面取得了很多的成果。

當激光照射原子的時候，它會激發他們，能量足夠使得他們以一個獨特的頻率發射出微弱的光，但這一微弱的光的能量足夠保持和識別出原子的旋轉。這些頻率的變化依據原子的不同狀態來說，甚至是如此巧妙的。因此升起是一種頻率，下降是另外一種頻率，并且每一個單獨的原子具有自己的一對頻率。

如果你有全套的量子位元，他們將會發射出顯著不同頻率的光。并且可以調制激光的頻率，可以追蹤他們，盡管我們不能在空間上解決他們。Thompson 說到，每一原子可以看到光，但只能聽到他們所調制的頻率。

光的頻率對于旋轉來說是一個完美的代理。轉換旋轉的升降使得研究人員可以對其進行計算。這同經典計算機中的晶體管的開和關相似。從而使得我們的世界進入到數字時代。

為了實現有用的量子處理器應用，這些量子位元的研究還需要進一步的研究。

相互作用的強度同兩個原子的距離相關，Songtao Chen說到，他是Thompson實驗室的博士后研究人員和論文的作者，我們將原子靠的非常近，以使我們可以讓其進行相互作用，并且使用這一相互作用來制造出量子邏輯門。

一個量子邏輯門需要兩個或者更多的糾纏的量子位元，使得它可以實現獨特的量子運算，如計算蛋白質的折疊圖案或者量子網絡的路由信息。

Thompson，是項目的領導者，并且獲得美國能源部的115M美元的量子科學倡議的資助，這一項目的任務是將量子位元編程應用的現實。同量子先進設計協同中心合作開展材料研究，他領導著開展亞量子元進行計算和網絡中的應用。

他的鉺系統，是一個新的量子元，在網絡應用中具有獨特的作用，可以用在現有的電信基礎結構中、在硅器件和光纖中以解碼光的形式發送信號。這兩個性質使得鉺成為現代工業中最為先進的固態量子元，它通過可見光波長傳輸信息，但在光纖通訊網絡中并不能很好的工作。

仍然，在可以操作運行的層面，鉺系統將在工程層面上進行進一步的研究。

當研究團隊可以控制和測量它的量子元的旋轉狀態的時候，不管他們的距離如何，和使用光學結構來制造高可信度的測量，他們不能排列量子元按照兩個量子元的門來進行排列。為了實現這一點，工程人員將會找到不同的材料來作為鉺原子的宿主。

這一辦法的最主要的優點就是我們進行的這一實驗同鉺所在的宿主沒有任何關系，Mouktik Raha說到，他是一個6年級的電子工程系的研究生，同時是論文的作者。只要你能夠晶鉺放入系統中，它就不會在周圍振動，你就可以開展工作了。

文章來源：Songtao Chen et al, Parallel single-shot measurement and coherent control of solid-state spins below the diffraction limit, Science (2020). DOI: 10.1126/science.abc7821和Princeton University