涡旋力量：光的旋涡，量子计算的革命

一项关于量子计算中光子的新研究有了一个惊人的发现：当光子碰撞时，它们会产生漩涡。

魏茨曼科学研究所的研究人员发现了一种由光子相互作用形成的新型漩涡，这可能会推动量子计算的发展。

涡流现象

漩涡是一种广泛存在的自然现象，可以在星系、龙卷风和飓风的漩涡形成中观察到，也可以在更简单的环境中观察到，比如一杯搅拌的茶或浴缸排水管里的水。通常，当快速移动的物质，如空气或水遇到缓慢移动的区域时，就会产生漩涡，并围绕固定轴产生圆周运动。从本质上讲，涡旋的作用是调和相邻区域之间的流速差异。

新涡旋类型的发现

魏茨曼科学研究所复杂系统物理系的Ofer Firstenberg教授实验室的Lee Drori博士、Bankim Chandra Das博士、Tomer Danino Zohar博士和Gal Winer博士在《科学》杂志上发表了一项研究，发现了一种以前未知的涡旋类型。研究人员开始寻找一种利用光子在量子计算机中处理数据的有效方法，并发现了一些意想不到的事情：他们意识到，在两个光子相互作用的罕见事件中，它们会产生漩涡。这一发现不仅增加了对漩涡的基本理解，而且可能最终有助于实现该研究的最初目标，即改进量子计算中的数据处理。

光子相互作用与量子计算

光子之间的相互作用 —— 也表现得像波的光粒子 —— 只有在作为媒介的物质存在的情况下才有可能发生。在他们的实验中，研究人员通过创造一个独特的环境来强迫光子相互作用：一个10厘米的玻璃电池，里面完全是空的，只有铷原子被紧紧地挤在容器的中心，形成了一个大约1毫米长的小而致密的气体云。研究人员通过这个云发射了越来越多的光子，检查了它们穿过云后的状态，并观察它们是否以任何方式相互影响。

当气体云密度最大，光子彼此靠近时，它们相互影响的程度最高。

稠密气体云中的动态相互作用

“当光子穿过密集的气体云时，它们将许多原子送入被称为里德堡态的电子激发态，”弗斯滕伯格解释说。“在这些状态下，原子中的一个电子开始在比未激发原子直径宽1000倍的轨道上运动。这个电子产生了一个电场，影响了大量相邻的原子，把它们变成了一种想象中的‘玻璃球’。”

玻璃球的图像反映了一个事实，即该区域的第二个光子不能忽略第一个光子所创造的环境，作为回应，它改变了它的速度 —— 就好像它穿过了玻璃一样。所以，当两个光子相对靠得很近时，它们的运动速度与它们单独运动时的速度不同。当光子的速度改变时，它所携带的波的波峰和波谷的位置也会改变。在量子计算中使用光子的最佳情况下，由于光子相互影响，峰和谷的位置相对于彼此变得完全倒置 —— 这种现象被称为180度相移。

光子动力学的开创性研究

这项研究的方向就像气体云中光子的路径一样独特而非凡。这项研究始于八年前，参与研究的还有艾隆·波登博士和亚历山大·波德杜尼博士。在弗斯滕伯格的实验室里，已经经历了两代博士生。

随着时间的推移，魏茨曼的科学家们成功地创造了一个密集的、超冷的气体云，里面充满了原子。结果，他们取得了一些前所未有的成就:光子经历了180度的相移，有时甚至更多。当气体云密度最大，光子彼此靠近时，它们相互影响的程度最高。但是当光子彼此远离或者它们周围的原子密度下降时，相移减弱并消失。

光子漩涡的惊人行为

普遍的假设是，这种减弱将是一个渐进的过程，但研究人员惊讶地发现：当两个光子相距一定距离时，就会形成一对漩涡。在每一个漩涡中，光子完成了360度的相移，在它们的中心几乎没有光子 —— 就像我们从其他漩涡中知道的黑暗中心一样。

科学家们发现，单个光子的存在会影响5万个原子，进而影响第二个光子的运动。

洞察光子涡旋动力学

为了理解光子漩涡，想想当你把一个垂直握住的盘子拖过水时会发生什么。由板块推动的水的快速运动与板块周围较慢的运动相遇。这就产生了两个漩涡，从上面看，它们似乎是沿着水面一起移动的，但实际上，它们是一个三维结构的一部分，被称为漩涡环:板块的水下部分产生了半个环，它连接了水面上可见的两个漩涡，迫使它们一起移动。

另一个熟悉的漩涡环的例子是烟圈。在研究的最后阶段，研究人员在引入第三个光子时观察到了这一现象，这为研究结果增加了一个额外的维度：科学家们发现，在测量两个光子时观察到的两个漩涡是由三个光子相互影响产生的三维漩涡环的一部分。这些发现证明了新发现的漩涡与其他环境中已知的漩涡有多么相似。

量子数据处理的进展

在这项研究中，涡旋可能抢了风头，但研究人员仍在继续朝着量子数据处理的目标努力。研究的下一阶段将是将光子相互发射，并分别测量每个光子的相移。根据相移的强度，光子可以被用作量子比特 —— 量子计算中的基本信息单位。普通计算机内存的单位可以是0或1，而量子比特可以同时表示0到1之间的范围。

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