關(guān)于量子糾纏，科學(xué)家們研究對象多是光子。最新的研究表明，經(jīng)過調(diào)控，分子尺度也可以出現(xiàn)量子糾纏現(xiàn)象。中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授林毅恒與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所合作，在離子阱體系實(shí)現(xiàn)帶電原子和帶電分子的聯(lián)合調(diào)控，首次制備了單原子和單分子之間的量子糾纏態(tài)，并且通過定量表征手段，確定產(chǎn)生的量子糾纏超過臨界閾值。該研究成果近日在線發(fā)表于《自然》。這項(xiàng)成果對于未來利用分子進(jìn)行量子信息處理有重要推動作用。
分子作為多個(gè)原子組成的系統(tǒng)，原子集團(tuán)可以轉(zhuǎn)動和發(fā)生振動，由此帶來獨(dú)特的屬性。例如，類比陀螺的轉(zhuǎn)動和使用彈簧連接的小球振動，分子可以有不同轉(zhuǎn)動角速度和角度以及振動模式，這些經(jīng)典的物理量可以通過量子化形成量子狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，分子可以作為媒介，用于匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合的量子體系和信息處理平臺。
在該研究中，科學(xué)家通過在離子阱體系束縛帶電的鈣原子和氫化鈣分子，使用激光調(diào)控制備出他們之間的糾纏態(tài)。這項(xiàng)研究工作結(jié)合了近年來發(fā)展的多項(xiàng)重要技術(shù)，包括利用帶電原子和分子的電相互作用實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，可以在不丟失分子的情況下利用原子間接讀出其信息；使用紅外的激光實(shí)現(xiàn)分子轉(zhuǎn)動態(tài)的高精度調(diào)控等技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先初始化原子和分子到某個(gè)確定的低能量狀態(tài)（基態(tài)），并且冷卻他們的運(yùn)動到接近量子的極限。繼而使用激光作用在單個(gè)分子上，制備出轉(zhuǎn)動維度高低能量的疊加狀態(tài)，再通過一些列復(fù)雜的激光脈沖序列，產(chǎn)生所需的量子關(guān)聯(lián)——糾纏態(tài)。通過觀察不同情況下原子和分子協(xié)同的狀態(tài)關(guān)聯(lián)，可以整合所有信息成一個(gè)范圍在0到1之間的值，超過0.5的閾值即表示糾纏態(tài)的出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)值在誤差范圍內(nèi)遠(yuǎn)高出這個(gè)閾值，表明糾纏態(tài)的產(chǎn)生。
這項(xiàng)研究的第一完成單位是由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室專注于自旋科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究，自主研發(fā)了一系列先進(jìn)的自旋實(shí)驗(yàn)方法技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝備，將自旋調(diào)控的靈敏度和分辨率提升到國際領(lǐng)先水平，在與信息科學(xué)、生命科學(xué)和基礎(chǔ)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(guān)的量子計(jì)算研究，保持著使用量子算法完成最大整數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解、室溫固態(tài)體系最高精度量子邏輯門控制等世界記錄。（來源：中國科學(xué)報(bào) 楊凡）
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2257-1
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