摘要：一个新的实验在原子的运动中编码量子信息，并创建一个称为超输入的状态，其中两个或多个特征在一对原子之间链接在一起。...

加州理工学院物理学教授Manuel Endres专门使用称为光学镊子的设备来精心控制单个原子。他和他的同事使用用激光光制成的镊子来操纵各种原子中的个体原子来研究量子系统的基本特性。他们的实验导致了删除简单量子机中错误的新技术。一种可能导致世界上最精确的时钟的新设备；以及一个可打破量子的量子系统，控制了6,000多个个人原子。

在这一工作中，一个na乱的因素是原子的正常跳动运动，这使得系统难以控制。现在，在期刊上报告科学，该团队将问题倒在头上，并使用了这种原子运动来编码量子信息，这是量子技术的基础过程。

“我们表明，原子运动通常被视为量子系统中有害噪声的来源，可以变成一种力量，”研究的共同领导作者Adam Shaw（PhD '24）与Pascal Scholl和Ran Finkelstein一起研究。肖在这些实验期间以前是加州理工学院的研究生，现在是斯坦福大学的博士后学者。 Scholl曾在CalTech担任博士后，现在在Quantum Computing Company Pasqal工作。芬克尔斯坦（Finkelstein）在加州理工学院（Caltech）举行了Troesh博士后奖奖学金，现在是特拉维夫大学的教授。

最终，该实验不仅在原子的运动中编码了量子信息，而且还导致了一种称为超渗透的状态。在基本的纠缠中，即使在巨大的距离隔开时，两个粒子仍保持连接。当研究人员测量粒子的状态时，他们会观察到这种相关性：例如，如果一个粒子处于称为旋转的状态（其中角动量的方向指向），则另一个粒子将始终旋转。

在超级范围内，二粒子对的特征是相关的。作为一个简单的类比，这就像一组在出生时分离的双胞胎，具有相同的名称和相同类型的汽车：这两个特征在双胞胎之间相关。在新的研究中，Endres和他的团队能够超出原子对，以至于它们的单个运动状态和单个电子状态（它们的内部能级）在原子之间相关。更重要的是，这次实验演示意味着可能同时纠缠更多的特征。

“这使我们能够每个原子编码更多的量子信息，” Endres解释说。 “您会得到更多的纠缠，而资源较少。”

该实验是大量颗粒（例如中性原子或离子）（早期示范使用的光子）的第一次演示。

对于这些实验，团队冷却了限制在光学镊子内的一系列单个碱性中性原子。 Endres说，他们通过“检测和随后积极校正热运动激发”证明了一种新型的冷却形式。 “我们从本质上测量了每个原子的运动，并根据结果（与麦克斯韦的恶魔类似的结果）进行操作。”

该方法的表现优于最著名的激光冷却技术，使原子几乎完全停滞。

从那里开始，研究人员诱导原子像摆动的摆动一样振荡，但幅度约为100纳米，比人毛的宽度小得多。他们能够同时将原子激发到两个不同的振荡中，从而导致运动处于叠加状态。叠加是一种量子状态，其中粒子同时表现出相反的特征，就像粒子的旋转同时旋转。

恩德里斯说：“你可以想到一个在这个叠加状态下的原子，就像一个孩子在一个秋千上的孩子开始被两个父母在相对的侧面推动，但同时也是如此。” “在我们的日常世界中，这肯定会导致父母的冲突；在量子世界中，我们可以显着利用这一点！”

然后，他们纠缠了个体，将原子摆动到伴侣原子，在几微米的距离上产生相关的运动状态。原子纠缠在一起后，团队将它们超过它们以使原子的运动和电子状态都相关的方式。

恩德雷斯说：“基本上，这里的目标是在我们可以控制这些原子的程度上界定界限。” “我们本质上是在构建一个工具箱：我们知道如何控制原子中的电子，现在我们学会了如何控制原子的外部运动。这就像您完全掌握的原子玩具。”

这些发现可能导致进行量子计算的新方法以及旨在探测物理基本问题的量子模拟。 Endres说：“从计算到模拟再到精确测量值，运动状态可能成为量子技术的强大资源。”