“原子相机”或可窥视量子计算机内部。
如今，我们可以在照片中看到单个原子。但反过来，是否能用单个原子来记录一张图片？
日本冈崎分子科学研究所的一个研究小组开发了一种他们称之为“原子相机”的设备，该设备可利用单个原子来捕捉小到标准光学显微镜无法分辨的光图案。利用这种原子相机，工程师可以“看到”某些使用中性原子作为量子比特的量子计算机的内部，从而能以更低的干扰风险来监测和控制计算机的激光系统。
研究人员打造这台原子相机是为了推进其量子计算机制造工作。“我们希望原子相机能在实验室以及全球其他类似研究中成为一种有价值的诊断工具。”领导该研究小组的分子科学研究所物理学家大森健二（Kenji Ohmori）表示。
光镊是这台原子相机的关键部件，这是一种使用聚焦激光束“挤压”粒子来捕获粒子的装置。光镊可以捕获一个原子，然后移动该原子或将其固定在适当位置。为了制造原子相机，研究人员将一颗铷-87原子冷却到接近绝对零度，并将其固定在光镊中。
光照射到原子上时，会赋予原子中部分电子以能量，并改变这些电子的能态。研究人员可以观察这些变化，从而测量光的强度或偏振。
然而，这些光图案远远大于单个原子。为了将测量结果转化为一张完整的图像，研究人员以100纳米为步长，沿不同方向重新定位了光图案。他们测量了每一步的光的强度或偏振。通过组合这些数据，他们绘制了一幅图谱，并将其渲染成了一张纳米尺度的“照片”。
冈崎的研究人员并非最先用原子测量光的人，但他们测量的能移比先前团队的测量结果精细得多。因此，研究人员除了能测量光的强度之外，还能测量其偏振，并且理论上可以分辨小至25纳米的特征（大约是之前团队利用光镊所达到分辨率的1/12），且刚好逼近量子不确定性开始显现的临界点。
对于冈崎团队以及全球其他研究人员正在制造的中性原子量子计算机来说，原子相机可能是一种很有用的工具。与原子相机类似，这些量子计算机的运行依赖于在真空腔中冷却到极低温度的铷-87等原子。用两个中性原子进行计算，可能需要精确定位作为量子比特的原子，并同时用激光照射两者。
这种光束几乎总是不均匀的。即使是一束很小的激光，其偏振也可能存在异常，导致量子比特失去相干性并坍缩。因此，对于量子比特操作者来说，了解光最细微的细节至关重要，但物理学家们至今仍在寻找既不干扰量子比特，又能可靠地窥视量子计算机真空腔内部的方法。
该研究的共同作者、分子科学研究所物理学家富田隆史（Takafumi Tomita）表示，原子相机提供了一种极具吸引力的代替传统光学的方案。
富田说：“与其从真空腔外部带一台相机进来，何不利用真空腔内量子‘游乐场’中已有的工具？”
作者：Rahul Rao
