物理学家首次纠缠单个分子加速了量子信息处理的可能性

普林斯顿大学的物理学家团队首次能够将单个分子连接成量子力学“纠缠”的特殊状态。在这些奇怪的状态下，分子仍然彼此相关，并且可以同时相互作用，即使它们相距数英里，或者实际上，即使它们占据宇宙的两端。这项研究最近发表在《科学》杂志上。

普林斯顿大学物理学助理教授、该论文的资深作者劳伦斯·卓克 ( Lawrence Cheuk)表示：“由于量子纠缠的根本重要性，这是分子世界的一项突破。” “但这对于实际应用来说也是一个突破，因为纠缠分子可以成为许多未来应用的基础。”

例如，其中包括可以比传统计算机更快地解决某些问题的量子计算机、可以对行为难以建模的复杂材料进行建模的量子模拟器，以及可以比传统传感器更快地测量的量子传感器。

“从事量子科学的动机之一是，在现实世界中，事实证明，如果你利用量子力学定律，你可以在许多领域做得更好，”物理系研究生康纳·霍兰德说以及该作品的合著者。

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。虽然经典计算机位可以采用 0 或 1 的值，但量子位(称为量子位)可以同时处于 0 和 1 的叠加状态。后一个概念，即纠缠，是量子力学的主要基石，当两个量子位同时存在时，就会发生纠缠。粒子彼此之间变得密不可分，因此即使一个粒子与另一个粒子相距数光年，这种联系仍然存在。最初质疑其有效性的阿尔伯特·爱因斯坦将这种现象描述为“幽灵般的远距离作用”。从那时起，物理学家证明，纠缠实际上是对物理世界以及现实如何构造的准确描述。

“量子纠缠是一个基本概念，”卓克说，“但它也是赋予量子优势的关键因素。”

但建立量子优势并实现可控量子纠缠仍然是一个挑战，尤其是因为工程师和科学家仍不清楚哪种物理平台最适合创建量子位。在过去的几十年里，许多不同的技术——例如捕获离子、光子、超导电路等——已经被探索作为量子计算机和设备的候选技术。最佳的量子系统或量子比特平台很可能取决于具体的应用。

然而，在这次实验之前，分子长期以来一直无法实现可控的量子纠缠。但卓克和他的同事们找到了一种方法，通过在实验室中的仔细操作，控制单个分子并诱导它们进入这些互锁的量子态。他们还认为，分子具有某些优势(例如相对于原子)，这使得它们特别适合量子信息处理和复杂材料的量子模拟中的某些应用。例如，与原子相比，分子具有更多的量子自由度，并且可以以新的方式相互作用。

“实际上，这意味着存在存储和处理量子信息的新方法，”该论文的合著者、电气和计算机工程研究生 Yukai Lu 说。“例如，一个分子可以以多种模式振动和旋转。因此，您可以使用其中两种模式来编码量子位。如果分子种类是极性的，那么两个分子即使在空间上分离也可以相互作用。”

尽管如此，事实证明，由于分子的复杂性，在实验室中很难控制。它们的自由度本身就很有吸引力，但也使得它们在实验室环境中难以控制或圈养。

Cheuk 和他的团队通过深思熟虑的实验解决了其中的许多挑战。他们首先选择了一种既具有极性又可以用激光冷却的分子种类。然后，他们将分子激光冷却至量子力学占据中心位置的超冷温度。然后，单个分子被紧密聚焦的激光束复杂系统(即所谓的“光镊”)拾取。通过设计镊子的位置，他们能够创建大量的单分子阵列，并将它们单独定位成任何所需的一维构型。例如，他们创建了孤立的分子对和无缺陷的分子串。

接下来，他们将量子位编码为分子的非旋转和旋转状态。他们能够证明这个分子量子位保持相干，也就是说，它记住了它的叠加态。简而言之，研究人员展示了从单独控制的分子中创建良好控制和相干量子位的能力。

为了使分子纠缠在一起，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连贯的方式相互作用。通过允许相互作用进行精确的时间，他们能够实现纠缠两个分子的双量子位门。这很重要，因为这种纠缠的双量子位门是通用数字量子计算和复杂材料模拟的构建块。

鉴于这种新的分子镊子阵列平台所提供的创新功能，这项研究在研究量子科学不同领域的潜力是巨大的。普林斯顿大学团队特别有兴趣探索许多相互作用分子的物理学，这些分子可用于模拟量子多体系统，在该系统中可以出现有趣的涌现行为，例如新形式的磁性。

“将分子用于量子科学是一个新领域，我们对按需纠缠的演示是证明分子可以用作量子科学的可行平台的关键一步，”卓克说。

在同一期《科学》杂志上发表的另一篇文章中，由哈佛大学的 John Doyle 和 Kang-Kuen Ni 以及麻省理工学院的 Wolfgang Ketterle 领导的独立研究小组取得了类似的结果。

“他们得到相同结果的事实验证了我们结果的可靠性，”卓克说。“他们还表明，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。”