本文参加百家号科学#了不起的基础科学#系列征文原子世界的基本理论，物理学家创造出：创纪录的量子运动！国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们开发了一种方法，可以使离子(带电原子)精确地显示量子级运动的数量——任何特定的100包能量或“量子”，是之前17包能量的5倍多。量子力学，原子世界的基本理论，指出能量被释放或吸收在被称为量子的小块或包中。原子通过放射光子或光的量子来释放光能，当陷入陷阱时，原子的运动能量由声子或运动量子携带。

　　除了创造单个量子数，NIST团队还控制了离子的摆振运动，以同时显示出两个不同数量的运动量子：0(最小运动)加上任何数字(最多18)。这种两种状态的“叠加”是量子世界的一个标志。其研究发现发表在《自然》上，可以用于任何量子力学振荡器，包括像单摆一样振动或像弹簧一样振动的系统。这些技术可能导致使用声子作为信息载体的新型量子模拟器和传感器的出现。此外，调整叠加态的能力可以改善量子测量和量子信息处理。

　　采用离子叠加作为频率测量仪器，比传统的离子振动频率测量精度提高了一倍以上。科学家表示：如果能对一个物体进行量子控制，就能‘弯曲’经典规则，以牺牲其他方向更大的不确定性为代价，降低某些特定方向的不确定性。然后可以用量子态作为标尺来测量一个系统的性质。量子控制能力越强，尺子上的线间距就越小，这就能够越来越精确地测量数量。实验是在一个冷冻电磁阱的金电极上方40微米处用一个铍离子进行。新结果是可能的，因为NIST科学家能够将不需要的因素最小化。

　　比如杂散电场，杂散电场与离子交换能量并破坏离子。为了给离子添加声子，NIST科学家在两个离子的“自旋”状态或内能构型的频率差上下交替使用紫外激光脉冲。每一次脉冲都会将离子从“自旋向上”翻转到“自旋向下”，反之亦然，每次翻转都会增加一个离子摇摆运动的量子。为了创造叠加，科学家仅将这些激光脉冲应用于离子波函数的一半(粒子位置和自旋状态概率的波状模式)。波函数的另一半处于第三种自旋状态，不受激光脉冲影响，保持静止。离子静止状态(或基态)的叠加和更高声子数使NIST科学家“量子增强”了测量灵敏度或精度。

　　用离子作为干涉仪，这是一种将两种部分波分离和融合的仪器，能产生一种干涉图样，可以通过分析来表征频率。NIST科学家使用干涉仪测量离子的振荡频率，其不确定度小于正常情况下的可能值。具体地说，测量精度随运动量子数的增加而线性增加，直到在0和12叠加状态下达到最佳性能，这种叠加状态灵敏度是经典行为量子状态(技术上由一组数态组成)的两倍以上。这种0和12的叠加状态也比最简单干涉仪0和1的叠加状态精确7倍以上。为了理解为什么叠加态有助于更精确地测量离子的振荡频率，科学家建议想象一个带辐条的轮子。

　　在描述离子位置和动量的某个抽象空间中，振荡用旋转来表示，科学家希望能够非常精确地测量这种旋转。离子基态的运动叠加和更高数态是测量的重要标尺，因为在这个抽象的表示中，可以被想象成一个带辐条的轮子。这些辐条可以用来确定状态旋转的幅度。数字状态越高，辐条就越多，就能更精确地测量这种旋转。叠加态所提供的测量灵敏度应该有助于表征和降低运动中的噪声，这是研究人员在用捕获离子处理量子信息时，想要最小化的一个重要误差来源。

　　博科园｜研究/来自：美国国家标准与技术研究院参考期刊《自然》《arXiv》Cite: arXiv:1807.11934博科园｜科学、科技、科研、科普