激光束能做的不仅仅是加热，它们也可以让原子冷却下来。对致力于精密光谱学和光学原子钟开发的物理学家来说，这并不是什么新鲜事。但有一样新东西，德国联邦物理技术学院(PTB)QUEST研究所的研究人员能够用他们的高电荷离子达到的极低温度，这种类型的离子以前从未冷却到200µK。

致力于此研究的团队通过将他们已建立的方法(包括耦合离子的激光冷却)与量子计算领域的方法相结合，从而取得了成功。量子算法的应用确保了传统的激光方法可以让离子有效的一起冷却。这意味着我们离具有高电荷离子的光学原子钟越来越近，而且这个时钟可能比现有的光学原子钟更准确。该研究结果发表在最新一期的《Physical Review X》上。

如果你想极其准确地研究粒子，例如使用精密光谱学或在原子钟中测量粒子(如离子)的频率，那么你必须尽可能地使它们接近与静止状态。最极端的静止状态与可能的最低温度相同，这意味着你必须尽可能有效地冷却它们。一种成熟的高科技冷却方法是所谓的激光冷却，这种方法是通过巧妙排列的激光使粒子减速。

然而并不是每个粒子都适合这种方法。这就是为什么QUEST研究所长期以来一直在使用成对的耦合离子来克服这个问题：一个离子(被称为“冷却离子”或“逻辑离子”)被激光冷却；同时它的耦合伙伴离子也被冷却，然后可以进行光谱研究(因此被称为“光谱离子”)。但是，当两种离子的荷质比差异太大时，即当它们的质量和电荷差异很大时，这种方法以前总是会达到其极限。

QUEST物理学家Steven King解释道：“但现在正是这些离子对我们的研究特别有意义，例如对于开发新型光学钟。”由于Steven和他的团队在应用量子力学定律方面非常有经验，他们利用了量子计算研究人员会用到的量子算法。量子算法不仅可以用于使用量子计算机执行比以往任何时候都更快地计算，它们还可以帮助从不匹配的离子对中提取动能。在所谓的算法冷却过程中，量子运算被用于做到这一点的：将能量从光谱离子几乎不可冷却的运动转移到逻辑离子易于冷却的运动。

他们成功地做到了这一点。QUEST的博士生Lukas Spieß说：“我们能够从一对离子中提取到如此多的能量，它由一个带单电荷的铍离子和一个带高电荷的氩离子组成。它们的温度最终下降到只有200µK。”他还补充道：“更重要的是，我们还观察到了前所未有的低水平电场噪声。”

当冷却停止时，这种噪音通常会导致离子被加热，但事实证明，这种噪音在他们的设备中特别低。将超低温度和超低水平噪声结合起来看，意味着他们现在已经克服了前进路上的最后一个主要障碍。并且可以基于高电荷离子构建光学原子钟，这个原子钟的不确定度可以达到小于10的负18次方，目前只有世界上最好的光学原子钟才能达到这种性能。这些发现对于量子计算机和精密光谱学的发展也具有重要意义。（编译:Qtech）