一項關於量子計算中光子的新研究有了一個驚人的發現：當光子碰撞時，它們會產生漩渦。
魏茨曼科學研究所的研究人員發現了一種由光子相互作用形成的新型漩渦，這可能會推動量子計算的發展。
渦流現象
漩渦是一種廣泛存在的自然現象，可以在星系、龍卷風和颶風的漩渦形成中觀察到，也可以在更簡單的環境中觀察到，比如一杯攪拌的茶或浴缸排水管裏的水。通常，當快速移動的物質，如空氣或水遇到緩慢移動的區域時，就會產生漩渦，並圍繞固定軸產生圓周運動。從本質上講，渦旋的作用是調和相鄰區域之間的流速差異。
新渦旋類型的發現
魏茨曼科學研究所複雜系統物理系的Ofer Firstenberg教授實驗室的Lee Drori博士、Bankim Chandra Das博士、Tomer Danino Zohar博士和Gal Winer博士在《科學》雜志上發表了一項研究，發現了一種以前未知的渦旋類型。研究人員開始尋找一種利用光子在量子計算機中處理數據的有效方法，並發現了一些意想不到的事情：他們意識到，在兩個光子相互作用的罕見事件中，它們會產生漩渦。這一發現不僅增加了對漩渦的基本理解，而且可能最終有助於實現該研究的最初目標，即改進量子計算中的數據處理。
光子相互作用與量子計算
光子之間的相互作用 —— 也表現得像波的光粒子 —— 只有在作為媒介的物質存在的情況下才有可能發生。在他們的實驗中，研究人員通過創造一個獨特的環境來強迫光子相互作用：一個10厘米的玻璃電池，裏面完全是空的，只有銣原子被緊緊地擠在容器的中心，形成了一個大約1毫米長的小而致密的氣體雲。研究人員通過這個雲發射了越來越多的光子，檢查了它們穿過雲後的狀態，並觀察它們是否以任何方式相互影響。
當氣體雲密度最大，光子彼此靠近時，它們相互影響的程度最高。
稠密氣體雲中的動態相互作用
“當光子穿過密集的氣體雲時，它們將許多原子送入被稱為裏德堡態的電子激發態，”弗斯滕伯格解釋說。“在這些狀態下，原子中的一個電子開始在比未激發原子直徑寬1000倍的軌道上運動。這個電子產生了一個電場，影響了大量相鄰的原子，把它們變成了一種想象中的‘玻璃球’。”
玻璃球的圖像反映了一個事實，即該區域的第二個光子不能忽略第一個光子所創造的環境，作為回應，它改變了它的速度 —— 就好像它穿過了玻璃一樣。所以，當兩個光子相對靠得很近時，它們的運動速度與它們單獨運動時的速度不同。當光子的速度改變時，它所攜帶的波的波峰和波穀的位置也會改變。在量子計算中使用光子的最佳情況下，由於光子相互影響，峰和穀的位置相對於彼此變得完全倒置 —— 這種現象被稱為180度相移。
光子動力學的開創性研究
這項研究的方向就像氣體雲中光子的路徑一樣獨特而非凡。這項研究始於八年前，參與研究的還有艾隆·波登博士和亞歷山大·波德杜尼博士。在弗斯滕伯格的實驗室裏，已經經歷了兩代博士生。
隨著時間的推移，魏茨曼的科學家們成功地創造了一個密集的、超冷的氣體雲，裏面充滿了原子。結果，他們取得了一些前所未有的成就:光子經歷了180度的相移，有時甚至更多。當氣體雲密度最大，光子彼此靠近時，它們相互影響的程度最高。但是當光子彼此遠離或者它們周圍的原子密度下降時，相移減弱並消失。
光子漩渦的驚人行為
普遍的假設是，這種減弱將是一個漸進的過程，但研究人員驚訝地發現：當兩個光子相距一定距離時，就會形成一對漩渦。在每一個漩渦中，光子完成了360度的相移，在它們的中心幾乎沒有光子 —— 就像我們從其他漩渦中知道的黑暗中心一樣。
科學家們發現，單個光子的存在會影響5萬個原子，進而影響第二個光子的運動。
洞察光子渦旋動力學
為了理解光子漩渦，想想當你把一個垂直握住的盤子拖過水時會發生什麼。由板塊推動的水的快速運動與板塊周圍較慢的運動相遇。這就產生了兩個漩渦，從上面看，它們似乎是沿著水面一起移動的，但實際上，它們是一個三維結構的一部分，被稱為漩渦環:板塊的水下部分產生了半個環，它連接了水面上可見的兩個漩渦，迫使它們一起移動。
另一個熟悉的漩渦環的例子是煙圈。在研究的最後階段，研究人員在引入第三個光子時觀察到了這一現象，這為研究結果增加了一個額外的維度：科學家們發現，在測量兩個光子時觀察到的兩個漩渦是由三個光子相互影響產生的三維漩渦環的一部分。這些發現證明了新發現的漩渦與其他環境中已知的漩渦有多麼相似。
量子數據處理的進展
在這項研究中，渦旋可能搶了風頭，但研究人員仍在繼續朝著量子數據處理的目標努力。研究的下一階段將是將光子相互發射，並分別測量每個光子的相移。根據相移的強度，光子可以被用作量子比特 —— 量子計算中的基本信息單位。普通計算機內存的單位可以是0或1，而量子比特可以同時表示0到1之間的範圍。
來自：知新了了
