无需磁铁和复杂设备：立陶宛科学家找到用光“编程”原子的方法
维尔纽斯大学物理系的一组研究人员提出了一种理论模型，该模型能够利用光对原子进行“编程”，完全摒弃外部磁场。这是一种操控量子系统的全新方法，有望简化量子设备的构建。
该方法的核心在于：光首先将原子设定为特定状态——即对其进行“编程”，随后这种预先准备好的原子介质会改变复杂激光束的形状和偏振。模型中起关键作用的是光学涡旋——具有螺旋波前结构的光束，其中心强度降至零。这个暗区的大小由所谓的拓扑电荷决定，拓扑电荷可以取任意整数值——无论是正数还是负数。
在实践中，这意味着我们能够获得多达10000种不同的状态。与处理两种状态的常规量子比特不同，信息可以编码在量子比特（qudits）中——即多级量子信息单元。这是计算容量和稳定性的巨大飞跃。
为了操控矢量涡旋，科学家模拟了激光束与原子气体的相互作用，其中原子具有三个能级。在这样的系统中，准备好的介质会“继承”光的空间图案：在某些区域，原子强烈吸收辐射；在其他区域，原子几乎变得透明。这会产生反馈——原子响应会重新调整光束本身。简单的光环会变成复杂的瓣状图案，中心周围出现多个明亮区域，而光束的偏振结构也会发生根本性变化。
以往，这种控制需要强大的外部磁场和笨重的设备。新模型有望使量子系统摆脱这些限制。
从理论上讲，这项开发为更快的量子处理器、高度安全的量子通信网络以及超高精度的光学传感器铺平了道路。尽管业界仍在努力解决量子比特系统的规模化问题，但此类在量子态操控方面的基础性突破，正是将我们推向当前能力极限之外的关键。
专家评论：在量子操控中摒弃磁场，不仅仅是技术上的简化。这是消除通往商业可行量子系统道路上的主要障碍之一。如果该模型在实践中得到验证，我们可能会看到一种全新类型的紧凑型量子设备，它们可以在光学平台上运行，而无需依赖低温腔室。