多原子干涉及玻色子采样新方法

在日常生活中，当两个物体“无法区分”时，这是由于知识不完善造成的。当街头魔术师打乱杯子和球时，原则上你可以跟踪在杯子之间传递的球。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。这种类型的真正不可区分性可以从根本上改变球的行为方式。

例如，在洪、欧和曼德尔的经典实验中，两个相同的光子(球)撞击半反射镜的相对两侧，总是会从镜子的同一侧(同一个杯子中)射出。这是由于一种特殊的干涉，而不是光子之间的任何相互作用。随着光子和镜子数量的增加，这种干涉变得非常复杂。

测量从给定镜子迷宫中出现的光子模式被称为“玻色子采样”。人们认为，对于超过几十个光子，在经典计算机上模拟玻色子采样是不可行。因此，人们付出了巨大的努力来用光子进行此类实验，并证明量子设备正在执行经典计算无法完成的(非通用)计算任务。这种努力最终导致了最近声称使用光子具有量子优势。

现在，在最近发表的一篇《自然》论文中，JILA 研究员、美国国家标准与技术研究所(NIST) 物理学家、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授 Adam Kaufman 和他的团队与 NIST 的合作者一起展示了一种使用超冷原子(特别是玻色子原子)在相交激光束的二维光学晶格中进行玻色子采样的新方法。

使用光镊等工具，可以制备相同原子的特定图案。原子可以在晶格中以最小的损耗传播，并且在传播后可以几乎完美地检测到它们的位置。结果是实现了玻色子采样，这比以前在计算机模拟或光子中实现的水平有了重大飞跃。

“光镊使多体物理学的突破性实验成为可能，通常用于研究多相互作用的原子，其中原子被固定在空间中并相互作用很长的距离，”考夫曼说。“然而，当粒子既可以相互作用又可以隧穿，量子力学地在空间中扩散时，就会出现一大类基础多体问题——所谓的&luo;哈伯德&ruo;系统。在建立这个实验的早期，我们的目标是将这种光镊范式应用于大规模哈伯德系统——这篇论文标志着这一愿景的首次实现。”

更好控制的技术

为了实现这些结果，研究人员使用了几种尖端技术，包括光镊(可以精确移动单个原子的高度聚焦激光器)和先进的冷却方法，使原子接近绝对零度温度，最大限度地减少它们的运动并实现精确的控制和测量。

类似于放大镜聚焦时产生针尖状光斑的方式，光镊可以将单个原子固定在强大的光束中，从而使它们能够以更高的精度移动。利用这些光镊，研究人员在 1,000 个点的晶格中准备了多达 180 个锶原子的特定图案，这些晶格由相交的激光束形成，这些激光束形成网格状的势能阱图案以捕获原子。研究人员还使用复杂的激光冷却技术来准备原子，确保它们保持在最低能量状态，从而降低噪声和退相干性——这是量子实验中常见的挑战。

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，消除了任何标签，例如个性化的内部状态或运动状态，这些标签可能会使特定原子与其他原子不同。“添加额外的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，”第一作者、前 JILA 研究生亚伦·杨 (Aaron Young) 说。“这种标签的存在将把这从一个极其困难的采样问题变成一个完全微不足道的问题。”

规模问题

由于玻色子采样难以模拟，因此对于 180 个原子的实验，直接验证是否执行了正确的采样任务是不可行的。为了解决这个问题，研究人员以不同的规模对原子进行了采样。

杨说：“我们用两个原子进行测试，这样我们就能很好地了解发生了什么。然后，在我们仍然可以模拟事物的中间规模上，我们可以将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。在大规模上，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，并确认没有发生任何重大错误。”

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

通过这一过程，研究人员能够确认与之前的玻色子采样演示相比，原子制备和演化具有较高的保真度。特别是，与光子相比，原子在演化过程中的损失非常低，这使得现代计算技术无法挑战之前的量子优势演示。

本研究展示了晶格中原子的高质量和可编程制备、演化和检测，可应用于原子相互作用的情况。这开辟了模拟和研究真实量子材料行为的新方法，而这些量子材料此前还不太为人所知。

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入新领域。然而，许多最有趣和计算难度最大的问题都出现在许多相互作用粒子的系统中。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激动人心的实验打开大门。”

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