普林斯顿物理学家首次成功纠缠单个分子

普林斯顿大学的研究人员在一项可能带来更强大量子计算的工作中，成功地迫使分子进入量子纠缠。

由普林斯顿大学物理学家组成的研究小组首次成功地将单个分子连接在一起，使其进入量子力学"纠缠"的特殊状态。在这些奇异的状态下，即使分子之间相隔万里，甚至占据了宇宙的两端，它们仍能保持相互关联并同时相互作用。这项研究发表在《科学》杂志上。

分子纠缠： 实际应用的突破

普林斯顿大学物理学助理教授、论文资深作者劳伦斯-卓（Lawrence Cheuk）说："这是分子世界的一项突破，因为量子纠缠具有根本性的重要意义。但这对实际应用来说也是一个突破，因为纠缠分子可以成为未来许多应用的基石"。

例如，这些应用包括：能以比传统计算机更快的速度解决某些问题的量子计算机；能对行为难以建模的复杂材料进行建模的量子模拟器；能以比传统传感器更快的速度进行测量的量子传感器。

用于冷却、控制和纠缠单个分子的激光装置。资料来源：普林斯顿大学物理系 Richard Soden

物理系研究生康纳-霍兰（Connor Holland）是这项研究的共同作者之一，他说："研究量子科学的动机之一是，在实际应用中，如果能利用量子力学定律，就能在很多领域做得更好。"

量子设备超越经典设备的能力被称为"量子优势"。量子优势的核心是叠加和量子纠缠原理。量子纠缠是量子力学的一个重要基石，当两个粒子彼此密不可分地联系在一起时，这种联系就会发生，即使其中一个粒子与另一个粒子相距数光年之遥，这种联系也会持续存在。阿尔伯特-爱因斯坦起初质疑这种现象的有效性，并将其描述为"远距离的幽灵作用"。从那时起，物理学家已经证明，纠缠实际上是对物理世界和现实结构的准确描述。

量子纠缠的挑战与进展

"量子纠缠是一个基本概念，"卓说，"但它也是赋予量子优势的关键要素。"

但是，建立量子优势和实现可控量子纠缠仍然是一项挑战，这主要是因为工程师和科学家仍然不清楚哪种物理平台最适合创建量子比特。在过去的几十年里，人们探索了许多不同的技术，如受困离子、光子、超导电路等，并将其作为量子计算机和设备的候选技术。最佳量子系统或量子比特平台完全取决于具体应用。

然而，在这项实验之前，分子一直无法实现可控的量子纠缠。但卓和他的同事找到了一种方法，通过在实验室中的精心操作，控制单个分子并将它们哄骗到这些交错的量子态中。他们还认为，分子比原子具有某些优势，特别适合量子信息处理和复杂材料量子模拟的某些应用。例如，与原子相比，分子有更多的量子自由度，可以以新的方式相互作用。

"这意味着，在实际应用中，有了存储和处理量子信息的新方法，"该论文的共同作者、电子与计算机工程专业的研究生 Yukai Lu 说。"例如，分子可以以多种模式振动和旋转。因此，你可以使用其中的两种模式来编码一个量子位。如果分子种类是极性的，两个分子即使在空间上分离也能相互作用。"

尽管如此，由于分子的复杂性，在实验室中控制分子已被证明是出了名的困难。使分子具有吸引力的自由度也使它们在实验室环境中难以控制或控制。

创新实验技术与未来展望

Cheuk 和他的团队通过精心设计的实验解决了其中的许多难题。他们首先选择了一种既有极性又能用激光冷却的分子物种。然后，他们用激光将分子冷却到超低温，在这个温度下，量子力学占据了中心位置。然后，单个分子被一个由紧密聚焦的激光束组成的复杂系统（即所谓的"光学镊子"）夹起。通过对镊子的位置进行工程设计，他们能够创建大型单分子阵列，并将它们单独定位成任何所需的一维构型。例如，他们制造出了孤立的分子对和无缺陷的分子串。

接下来，他们将一个量子比特编码到分子的非旋转和旋转状态中。他们能够证明，这种分子量子比特保持相干性，也就是说，它能记住自己的叠加。简而言之，研究人员展示了利用单独控制的分子创建良好控制的相干量子比特的能力。

为了纠缠分子，他们必须使分子相互作用。通过使用一系列微波脉冲，他们能够使单个分子以相干的方式相互作用。通过让相互作用进行精确的时间，他们能够实现一个双量子比特门，使两个分子纠缠在一起。这一点意义重大，因为这种纠缠双量子比特门是通用数字量子计算和复杂材料模拟的基石。

鉴于分子镊子阵列这一新平台所提供的创新功能，这项研究在研究量子科学的不同领域具有巨大潜力。特别是，普林斯顿大学的研究团队对探索许多相互作用分子的物理原理很感兴趣，这些分子可用于模拟量子多体系统，在这些系统中会出现有趣的突现行为，例如新形式的磁性。

卓说："将分子用于量子科学是一个新的前沿领域，我们展示的按需纠缠是证明分子可用作量子科学可行平台的关键一步。"

在同一期《科学》杂志上发表的另一篇文章中，由哈佛大学的约翰-多伊尔（John Doyle）和倪康权（Kang-Kuen Ni）以及麻省理工学院的沃尔夫冈-凯特尔（Wolfgang Ketterle）领导的一个独立研究小组也取得了类似的成果。

Cheuk说："他们得到了相同的结果，这验证了我们研究结果的可靠性。这还表明，分子镊子阵列正在成为量子科学的一个令人兴奋的新平台。"

参考文献：《可重构光学镊子阵列中分子的按需纠缠》，作者：Connor M. Holland、Yukai Lu 和 Lawrence W. Cheuk，2023 年 12 月 7 日，《科学》。

DOI: 10.1126/science.adf4272

编译来源：ScitechDaily