光学晶格中的原子执行“量子漫步”，在光格周围移动时，它们会经历许多不同的量子现象，例如叠加或隧穿。图片来源：Alex Downham，Default Interactive 和 Steven Burrows/JILA

在日常生活中，当两个物体“无法区分”时，这是由于知识状态的不完善。当街头魔术师争夺杯子和球时，原则上，当它们在杯子之间传递时，您可以跟踪哪个球是哪个球。然而，在自然界中最小的尺度上，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 Hong、Ou 和 Mandel 的经典实验中，总是发现两个相同的光子（球）撞击半反射镜的相对两侧，从镜子的同一侧（在同一个杯子中）射出。这是由一种特殊的干涉引起的，而不是光子之间的任何相互作用。随着更多的光子和更多的镜子，这种干涉变得非常复杂。

测量从给定的镜子迷宫中出现的光子模式被称为“玻色子采样”。玻色子采样被认为在经典计算机上模拟超过几十个光子是不可行的。因此，人们付出了巨大的努力来用实际的光子进行这样的实验，并证明量子设备正在执行一项无法经典执行的特定计算任务。这一努力最终导致了最近使用光子的量子优势的主张。

现在，在最近发表在《自然》杂志上的一篇论文中，JILA研究员、NIST物理学家、科罗拉多大学博尔德分校物理学教授亚当·考夫曼（Adam Kaufman）和他的团队，以及NIST（美国国家标准与技术研究院）的合作者，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。原子可以以最小的损失在晶格中传播，并且在它们的旅程后以近乎完美的精度检测到它们的位置。结果是玻色子采样的实现，这是一个重大的飞跃，超越了以前在计算机模拟或光子方面所取得的成就。

考夫曼说：“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远距离相互作用。“然而，当粒子既可以相互作用又可以隧穿时，就会出现一大类基本的多体问题——所谓的'哈伯德'系统，量子力学在空间中扩散。在建立这个实验的早期，我们的目标是将这种镊子范式应用于大规模的哈伯德系统——这次出版标志着这一愿景的首次实现。

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 - 高度聚焦的激光器，可以精确地移动单个原子 - 以及先进的冷却方法，使原子接近绝对零度温度，最大限度地减少它们的运动，并允许精确控制和测量。

与放大镜在聚焦时产生针刺光的方式类似，光学镊子可以将单个原子保持在强大的光束中，从而使它们能够极其精确地移动。使用这些镊子，研究人员在1000个位点的晶格中制备了多达180个锶原子的特定图案，这些晶格由相交的激光束形成，这些激光束产生网格状的势能阱图案来捕获原子。研究人员还使用复杂的激光冷却技术来制备原子，确保它们保持在最低能量状态，从而减少噪声和退相干——这是量子实验中的常见挑战。

NIST物理学家肖恩·盖勒（Shawn Geller）解释说，冷却和制备确保原子尽可能相同，去除了任何可能使给定原子与其他原子不同的标签，例如个性化的内部状态或运动状态。

“添加标签意味着宇宙可以分辨出哪个原子是哪个原子，即使你不能将标签视为实验者，”第一作者和前JILA研究生Aaron Young说。“这种标签的存在将把它从一个荒谬的困难抽样问题变成一个完全微不足道的问题。

出于玻色子采样难以模拟的原因，直接验证是否执行了正确的采样任务对于180个原子的实验是不可行的。为了克服这个问题，研究人员在不同尺度上对他们的原子进行了采样。

根据Young的说法，“我们用两个原子进行测试，我们非常了解正在发生的事情。然后，在我们仍然可以模拟事物的中间尺度上，我们可以将我们的测量结果与涉及合理误差模型的模拟进行比较。在大尺度上，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，并确认没有出现任何戏剧性的问题。

盖勒补充道，“我们所做的是开发测试，使用我们所知道的物理学来解释我们认为正在发生的事情。

通过这一过程，研究人员能够确认原子制备的高保真度和原子量子态的后期演化，与以前的玻色子采样演示相比。特别是，在原子演化过程中，与光子相比，原子的损失非常低，这排除了挑战先前量子优势证明的现代计算技术。

这项工作中展示的晶格中原子的高质量和可编程制备、演化和检测可以应用于原子相互作用的情况。这为模拟和研究真实的量子材料的行为开辟了新的方法，否则人们对此知之甚少。

“使用非相互作用的粒子使我们能够将玻色子采样的这一特定问题带到一个新的状态，”Kaufman说。“然而，许多最有趣和最具计算挑战性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令人兴奋的实验打开大门。

更多信息： www.nature.com/articles/s41586-024-07304-4

期刊信息： Nature