分子與量子也可糾纏

【科技前沿】

中科大在分子的量子糾纏研究中取得重大發現——

分子與量子也可糾纏

關於量子糾纏，科學家們研究物件多是光子。記者日前從中國科技大學獲悉，最新的研究表明，經過調控，分子尺度也可以出現量子糾纏現象。中科院微觀磁共振重點實驗室成員林毅恆教授與美國國家標準技術研究所合作，在離子阱體系實現帶電原子和帶電分子的聯合調控，首次製備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，並且透過定量表徵手段，確定產生的量子糾纏超過臨界閾值。該研究成果近日線上發表在《自然》上。這項成果對於未來利用分子進行量子資訊處理有重要推動作用。

分子作為多個原子組成的系統，原子集團可以轉動和發生振動，由此帶來獨特的屬性。例如，類比陀螺的轉動和使用彈簧連線的小球振動，分子可以有不同轉動角速度和角度以及振動模式，這些經典的物理量可以透過量子化形成量子狀態。研究發現，分子可以作為媒介，用於匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統，實現複合的量子體系和資訊處理平臺。

在研究中，科學家透過在離子阱體系束縛帶電的鈣原子和氫化鈣分子，使用鐳射調控制備出它們之間的糾纏態。這項研究工作結合了近年來發展的多項重要技術，包括利用帶電原子和分子的電相互作用實現資訊的傳遞，可以在不丟失分子的情況下利用原子間接讀出其資訊；使用紅外的鐳射實現分子轉動態的高精度調控等技術。實驗中，研究人員首先初始化原子和分子到某個確定的低能量狀態（基態），並且冷卻他們的運動到接近量子的極限。繼而使用鐳射作用在單個分子上，製備出轉動維度高低能量的疊加狀態，再透過一系列複雜的鐳射脈衝序列，產生所需的量子關聯——糾纏態。透過觀察不同情況下原子和分子協同的狀態關聯，可以將所有資訊整合成一個範圍在0到1之間的值，超過0.5的閾值即表示糾纏態的出現。實驗中測得的數值在誤差範圍內遠高出這個閾值，表明糾纏態的產生。

論文的第一完成單位是中科院院士、中科大副校長杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室。該實驗室專注於自旋科學技術及其應用的實驗研究，具有國際知名度的實驗室。自主研發了一系列先進的自旋實驗方法技術和實驗裝備，將自旋調控的靈敏度和解析度提升到國際領先水平，在與資訊科學、生命科學和基礎物理的前沿交叉研究中取得了具有重要國際影響的研究成果。該室從2000年起一直從事自旋相關的量子計算研究，保持著使用量子演算法完成最大整數的質因數分解、室溫固態體系最高精度量子邏輯閘控制等世界紀錄。