關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續報道關於發現和塑造我們當今世界的想法的重要故事。
原子力顯微鏡是物理學中一種強大的工具，它能夠透過依靠在表面上拖動的微小探針來對單個原子進行成像。探針響應來自其遇到的原子的排斥力，就像針頭描繪唱片凹槽內部一樣，測量表面的地形輪廓。
最近線上發表在《自然物理》雜誌上的一篇論文提出了掃描探針方法的最終縮小規模的可能性——使用懸浮在空間中的單個原子作為探針尖端。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
來自科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究院 (NIST) 以及德國埃爾朗根-紐倫堡大學和馬克斯·普朗克光科學研究所的研究人員設計了一種所謂的觸針阱，利用雷射和電磁場將鎂離子或帶電原子凍結在原位，在那裡它可以被用作超靈敏的原子尺度探針。
該研究的作者表示，這種探針將比原子力顯微鏡對電力和磁力的靈敏度高几個數量級。美國國家標準與技術研究院的物理學家克里斯蒂安·奧斯佩爾考斯（Christian Ospelkaus）表示，物理學家可以使用這種精細尺度的力感測器來識別極精細系統中的雜散“噪聲”源，他沒有參與這項研究。他說，包括量子計算的潛在方法在內的實驗裝置中對原子的操縱，受到破壞性流浪電場的困擾。 確定哪些表面和組裝工藝最能抑制這種噪聲將是有益的。
物理學家已經透過其他方法利用了捕獲的離子，但奧斯佩爾考斯說，“更傳統的離子阱通常將離子捕獲在一組杆或晶圓的中間”，限制了從阱外部訪問它們。 他指出，即使是相對開放的表面電極阱，將離子懸浮在表面上方數十微米處，也只能從表面平面上方訪問。
觸針阱透過將原子懸浮在一箇中央柱狀電極上來暴露原子。 主要研究作者羅伯特·邁瓦爾德是埃爾朗根-紐倫堡大學光學、資訊和光子學研究所的研究生，他說，透過將電極抬高到元件的其餘部分之上，可以提高訪問級別，但這會以削弱阱的強度為代價。
暴露阱的另一種實現方式是在離子周圍放置一個拋物面鏡，將光聚焦到離子上，邁瓦爾德將其比作逆轉手電筒反射器向外引導燈泡光芒的過程。 華盛頓大學西雅圖分校的物理學家鮑里斯·布利諾夫對這種應用最為興奮。 使用反射鏡收集離子上的光將允許物質與光更好地耦合，用於量子資訊處理——光子（光粒子）是資訊的良好載體，但離子為資料儲存提供了更穩定的介質。
在最近的實驗中，不良的光子收集一直是建立離子之間糾纏的障礙——即離子在一定距離處的協調行為——這可能構成量子計算網路的基礎。
布利諾夫說：“包括我的團隊在內的許多團隊都在進行……離子-光子糾纏實驗，主要的限制是光子的低收集效率。” 美國國家標準與技術研究院的奧斯佩爾考斯也對觸針阱在量子資訊系統中的潛在用途很感興趣。 “我可以看到這在不久的將來無需重大障礙即可實現，”他說。 “我認為這將是向前邁出的一大步。”