分子的糾纏

量子世界充滿許多匪夷所思但又真實存在的現象。在現實世界中，利用量子力學定律可以讓我們在許多領域都做得更好，例如量子計算機可以比經典計算機更快地解決某些特定問題，量子模擬器可以模擬複雜材料的行為，量子傳感器可以比傳統傳感器更快地測量。

量子設備超越經典設備的能力被稱為「量子優勢」，而量子優勢的核心是疊加和糾纏的原理。在經典計算機中，一個比特的值要麼是0，要麼是1；而量子比特則可以同時處於0和1的疊加態。而後一種概念——糾纏，則是量子力學的主要基石，處於量子糾纏的粒子能夠以某種方式緊密地聯繫在一起，即使它們相距光年之遠。

然而，創建量子優勢和實現可控的量子糾纏，仍是一個不小的挑戰，尤其是因為科學家們仍不清楚哪些物理系統最適合用於創建量子比特。在過去幾十年裡，許多不同的技術，如陷俘離子、光子、超導電路等，都被作為量子設備的候選平臺進行了探索。但長期以來，單分子間的量子糾纏卻難以實現。

12月7日，由哈佛大學和普林斯頓大學的兩個獨立的科學家團隊，在《科學》雜誌上分別發表了兩項研究，報道了他們利用一種被稱為光學鑷子的鐳射設備，首次實現了讓成對的一氟化鈣（CaF）分子處於量子糾纏態中。

在光學鑷子中操控分子

在量子資訊處理和複雜材料的量子模擬中的一些應用中，分子被認為比原子更具有優勢，因為分子具有更多的量子自由度，可以以一些新的方式相互作用。例如，一個分子能夠以多種模式振動和轉動。因此，科學家可以用其中任意兩種模式來編碼一個量子比特。如果分子種類是極性的，那麼即使兩個分子在空間上是分開的，它們也可以相互作用。

但與此同時，正是因為分子的這種複雜性，使得它們在實驗室環境中更加難以控制。在新的研究中，兩個研究團隊通過對單分子進行精確的控制，解決了實現分子間的量子糾纏所會遇到的諸多挑戰。

首先，研究人員選擇了一種高度極性的CaF分子用於實驗。在CaF分子中，電子團攜帶的負電荷聚集在氟原子上，使分子中的鈣攜帶淨正電荷。因此，兩個氟化鈣分子可以通過「感覺」彼此的正極和負極來發生相互作用。

接著，他們用鐳射技術將CaF分子冷卻到幾十微開爾文的溫度，這僅比絕對零度高百萬分之一度，在這樣的低溫下，量子力學發揮了主導作用。然後，這些超冷CaF分子會被陷俘在一個大約由20個成對的光學鑷子（由緊密聚焦的鐳射束構成的複雜系統）組成的一維陣列中。

每對光學鑷子內的CaF分子通過長程電偶極力相互作用，導致CaF的轉動能態的偶極發生自旋交換，從而使兩個分子進入量子糾纏態。（圖/Science）

為了使這些CaF分子糾纏在一起，研究人員必須讓這些分子發生相互作用。於是，他們使用微波脈衝和光泵浦，將這些分子的內部狀態設置為一種單一狀態。與此同時，位於相鄰光鑷中的兩個CaF分子被放置得非常接近，幫助它們感知到彼此的長程電偶極相互作用。

如此一來，在整個陣列中，成對的光學鑷子的轉動偶極就會發生自旋交換相互作用，它具體表現為一個CaF分子的兩個轉動能級與相鄰的CaF分子的兩個轉動能級之間存在最強的相關性。這意味著研究人員從兩個先前並不相關的分子中，動態地創建了所謂的貝爾態，這是一類重要的糾纏量子態。

通過允許相互作用持續一段精確的時間，研究人員實現了一個使兩個分子糾纏在一起的雙量子比特門。這一點非常重要，因為這種糾纏的雙量子比特門是量子計算和複雜材料模擬的基石。

重要的突破

現在，兩個研究團隊證明了分子是可以糾纏在一起的，為開發新的通用量子技術平臺打下了基礎。研究人員表示，這一進展對研究量子科學在不同領域中的應用具有重大意義，比如它有助於科學家模擬量子多體系統，探索多分子相互作用的物理學。此外，這一成果也將有助於利用陷俘分子進行高精度測量，從而揭示新的基本粒子的存在。

#創作團隊：

撰文：小雨

排版：雯雯

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1010386

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03943-1

#圖片來源：

封面圖&首圖：SuttleMedia / Pixabay