100%填滿的全像量子井

■原子是組成大部分物質的基本單位,自由操縱單一原子可說是一種終極科技。1990年代,IBM就展示了原子操縱術,用35顆原子排出「IBM」三個英文字母。但是這個技術只能用在材料表面,原子僅限在二維方向中移動,三維空間的原子操縱仍未達成。隨著冷原子科技的發展,科學家對原子的掌握度越來越高,如今終於能用原子在真空中排出任意複雜的3D結構。這項科技能應用在新穎材料發展、凝聚態物理研究和量子電腦開發。

圖片正中間有單一個原子被侷限在量子井中。(Source: David Nadlinger/University of Oxford)

撰文|陳奕廷 

●光鑷子和冷原子晶體

用雷射照射原子,原子會因為都卜勒效應逐漸冷卻到接近絕對零度。用這樣的技術研究原子的領域叫做「冷原子物理」。在極度聚焦的光場附近,冷原子會感受到一股吸引力而向光場的中心移動。用雷射照射原子,原子會因為都卜勒效應逐漸冷卻到接近絕對零度。用這樣的技術研究原子的領域叫做「冷原子物理」,朱棣文教授因為對這個領域做出重大貢獻獲得1997年諾貝爾物理獎。在極度聚焦的光場附近,冷原子會感受到一股吸引力而向光場的中心移動。這樣把光當作鑷子來操作原子的技術被稱作「光鑷子」,這個技術則是2018年諾貝爾物理獎的主題。

如果把多道雷射重疊在一起,電磁場會因為干涉而在空間中有週期性的分布,冷原子也因此呈現週期性的排列,形成一個3D的人造晶體。但是這只能讓原子呈週期排列,無法做出任意複雜的結構(例如:巴黎鐵塔的模型),離真正的3D原子操縱術還差了一截。

全像原子井:自由3D結構和完全填滿

光是一種電磁波,也是傳遞資訊的重要方式。電磁場除了強度之外,還包含相位的資訊。同時掌握了強度和相位,等於是掌握了光的所有資訊,通常被稱為「全息術」或是「全像術」。有了全像術,科學家不僅能將原子排列成週期性,也能製作出沒有週期性的複雜結構。圖1A是全像原子操縱術的例子:透過理論計算光場相位,產生特定形狀的原子井。讀者可能會好奇:光場相位的形狀怎麼那麼奇怪?由於光場相位是用傅立葉轉換來計算,所以視覺上和原子井的空間分布差異很大。這個技術在2014年被發展出來,能排列任意的二維圖案(圖1A)。如今科學家基於這個方式,更進一步地用原子一層一層疊出複雜的三維結構(圖1B),甚至能做出巴黎鐵塔的3D模型。

圖1:(A)透過全像術用原子排出各種二維結構(B)將二維結構一層一層疊起來形成三維結構 (來源:參1)

除了任意複雜的結構的外,這項科技也主打「100%填滿」。為了減少外界的擾動,整個原子操作是在真空下進行,原子的密度非常稀疏。儘管製作出許多原子井,只有剛好經過的原子會被抓住,所以不一定能將所有原子井都填滿。原子的動態是隨機的,所以每次實驗中被填滿的原子井都不一樣,非常不理想。為了解決這個問題,科學家使用兩組雷射。一組雷射用於製造圖1中的原子井,另一組雷射用相同的原理移動原子。如此一來就能將原子一顆一顆地填入原子井,製作出百分之百填滿、毫無缺陷的3D結構。這個技術能應用於材料研究:將原子排列成奇異結構,甚至不具週期性的晶體。這使科學家不被現有的原料和長晶設備限制,創造出自然界不存在的材料。這個技術也能用於凝聚態物理研究:原子的相對位置和作用力能被良好地控制,使科學家能了解在不同交互作用強度和晶體對稱性下原子和電子的行為。

●原子井量子電腦

以超導線圈當作量子位元是當今量子電腦發展最熱門的方式。由於其製造是利用半導體製程,超導線圈能輕易地大規模量產。但是製造用的材料包含缺陷以及每個超導線圈的製造環境稍有不同,造成量子位元錯誤率高以及品質參差不齊。以原子井作為量子位元的量子電腦能改善這方面的缺點。由於原子井是在真空中,外界的缺陷和擾動被降到最低。每一個量子位元是一個原子,原子是完全相同的,沒有品質差異的問題。

IonQ是以原子井為基礎的量子電腦的代表公司。圖2是IonQ的量子電腦晶片,可以看出約60顆原子在真空中排成一列。未來量子電腦持續發展,量子位元的數目會持續增加,圖2這樣一維的結構遠遠不夠用。量子位元勢必走向二維甚至三維的結構,3D的原子操縱術在這方面會越來越重要。這篇文章介紹的技術能將原子排列成任意的3D拓樸結構,使量子電腦的彈性增加,能執行各式各樣的演算法,非常具有潛力。

圖2:量子電腦的晶片。圖中藍點是單一原子放大顯示。(來源:Christopher Monroe, IonQ)

 

參考資料:
[1] Daniel Barredo et al., Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by atom, Nature 561, 79 (2018)
[2] F. Nogrette et al., Single-Atom Trapping in Holographic 2D Arrays of Microtraps with Arbitrary Geometries, PRX, 4, 021034 (2014)

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作者:陳奕廷,台大物理系學士,史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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