许多原子的干扰以及玻色子采样的新方法

在日常生活中，当两个物体“无法区分”时，这是由于知识的不完善造成的。当街头魔术师打乱杯子和球时，原则上，当球在杯子之间传递时，您可以跟踪哪个球是哪个。然而，在自然界最小的尺度上，即使是魔术师也无法区分一个球和另一个球。

这种真正的不可区分性可以从根本上改变球的行为方式。例如，在 Hong、Ou 和 Mandel 的经典实验中，两个相同的光子(球)撞击半反射镜的相对两侧，总是发现从镜子的同一侧(在同一个杯子中)射出。这是由一种特殊的干涉造成的，而不是光子之间的任何相互作用。随着更多的光子和更多的镜子，这种干涉变得非常复杂。

测量从给定的镜子迷宫中出现的光子图案被称为“玻色子采样”。玻色子采样被认为在经典计算机上模拟超过几十个光子是不可行的。因此，人们付出了巨大的努力来用实际光子进行此类实验，并证明量子设备正在执行经典无法执行的特定计算任务。这项努力最终导致了最近关于利用光子的量子优势的说法。

现在，在《自然》杂志最近发表的一篇论文中，JILA 研究员、NIST 物理学家、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授 Adam Kaufman 和他的团队以及 NIST(美国国家标准与技术研究所)的合作者展示了一种新的玻色子方法使用交叉激光束的二维光学晶格中的超冷原子(特别是玻色子原子)进行采样。

使用光镊等工具，可以制备相同原子的特定图案。原子可以以最小的损失在晶格中传播，并且在其旅程结束后可以近乎完美的精度检测到它们的位置。结果是玻色子采样的实现，无论是在计算机模拟还是在光子方面，这都比以前实现的技术有了重大飞跃。

考夫曼说：“光镊在多体物理学中实现了突破性的实验，通常用于研究多相互作用原子，其中原子被固定在空间中并在长距离内相互作用。” “然而，当粒子既可以相互作用又可以隧道，量子力学在空间中传播时，就会出现一大类基本的多体问题——所谓的‘哈伯德’系统。在建立这个实验的早期，我们的目标是应用这种镊子范例适用于大型哈伯德系统——该出版物标志着这一愿景的首次实现。”

更好的控制技术

为了实现这些结果，研究人员使用了多种尖端技术，包括光镊——高度聚焦的激光，可以以极高的精度移动单个原子——以及先进的冷却方法，使原子接近绝对零温度，最大限度地减少它们的移动并允许精确的冷却。控制和测量。

与放大镜聚焦时产生针孔光的方式类似，光镊可以将单个原子固定在强大的光束中，从而使它们能够以极高的精度移动。使用这些镊子，研究人员在 1000 个位点的晶格中准备了多达 180 个锶原子的特定图案，这些晶格是通过交叉激光束形成的，这些激光束形成势能井的网格状图案来捕获原子。研究人员还使用复杂的激光冷却技术来制备原子，确保它们保持在最低能量状态，从而减少噪声和退相干——量子实验中的常见挑战。

NIST 物理学家肖恩·盖勒(Shawn Geller)解释说，冷却和准备确保原子尽可能相同，消除任何可能使给定原子与其他原子不同的标签，例如个性化的内部状态或运动状态。

第一作者、前 JILA 研究生 Aaron Young 表示：“添加标签意味着宇宙可以分辨出哪个原子是哪个原子，即使你作为实验者看不到标签。” “这样一个标签的存在将使这个问题从一个荒谬的困难抽样问题变成一个完全微不足道的问题。”

缩放问题

出于同样的原因，玻色子采样难以模拟，直接验证是否执行了正确的采样任务对于 180 个原子的实验来说是不可行的。为了克服这个问题，研究人员对不同尺度的原子进行了采样。

根据杨的说法，“我们用两个原子进行测试，我们非常了解正在发生的事情。然后，在我们仍然可以模拟事物的中间尺度上，我们可以将我们的测量结果与涉及我们实验的合理误差模型的模拟进行比较。总的来说随着规模的扩大，我们可以通过控制原子的可区分性来不断改变采样任务的难度，并确认没有出现任何重大问题。”

盖勒补充道：“我们所做的是开发测试，利用我们所知的物理学来解释我们认为正在发生的事情。”

通过这个过程，与之前的玻色子采样演示相比，研究人员能够确认原子制备的高保真度以及随后原子量子态的演化。特别是，在原子演化过程中，与光子相比，原子的损失非常低，这使得现代计算技术无法挑战先前的量子优势演示。

这项工作中展示的高质量和可编程的晶格中原子的制备、演化和检测可以应用于原子相互作用的情况。这开辟了模拟和研究真实的以及人们知之甚少的量子材料行为的新方法。

考夫曼说：“使用非相互作用粒子使我们能够将玻色子采样这一特定问题带到一个新的领域。” “然而，许多物理上最有趣和计算上最具挑战性的问题都是由许多相互作用的粒子组成的系统引起的。展望未来，我们预计将这些新工具应用于此类系统将为许多令人兴奋的实验打开大门。”

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