物理學(xué)家第一次以驚人的精度“糾纏”單個分子

分子體積龐大且難以纏斗，長期以來一直無視物理學(xué)家試圖引誘它們進(jìn)入受控量子狀態(tài)的嘗試糾纏，因此即使在遠(yuǎn)處，分子也緊密相連。

現(xiàn)在，兩個獨立的團(tuán)隊首次使用相同的方法成功地糾纏了成對的超冷分子：微觀精確的光學(xué)“鑷子陷阱”。

量子糾纏是量子領(lǐng)域的一個奇怪但基本的現(xiàn)象，物理學(xué)家正試圖利用它來創(chuàng)造第一個商業(yè)量子計算機(jī).

從理論上講，所有物體——從電子到原子，從分子到整個星系——在被觀測到之前，都可以被描述為一種可能性的光譜。只有通過測量屬性，機(jī)會之輪才能確定一個清晰的描述。

如果兩個物體糾纏在一起，了解一個物體的屬性——它的自旋、位置或動量——會立即作為對另一個物體的測量，使它們兩個旋轉(zhuǎn)的可能性完全停止。

到目前為止，研究人員已經(jīng)設(shè)法在實驗室實驗中糾纏被俘的離子、光子、原子和超導(dǎo)電路。例如，三年前，一個團(tuán)隊糾纏不清數(shù)萬億個原子在“又熱又亂”的氣體中。令人印象深刻，但不是很實用。

物理學(xué)家也糾纏不清原子和分子之前，甚至生物復(fù)合物存在于植物細(xì)胞中。但是控制和操縱成對的單個分子 - 具有足夠的精度量子計算目的 – 這是一項更艱巨的任務(wù)。

分子很難冷卻，并且很容易與周圍環(huán)境相互作用，這意味著它們很容易脫離脆弱的量子糾纏態(tài)（所謂的退相干).

這些交互的一個例子是偶極-偶極相互作用：極性分子的正端可以被拉向另一個分子的負(fù)端的方式。

但這些相同的特性也使分子成為量子計算中量子比特的有希望的候選者，因為它們?yōu)橛嬎闾峁┝诵碌目赡苄浴?/p>

“它們的長壽命分子旋轉(zhuǎn)態(tài)形成強(qiáng)大的量子比特，而分子之間的長程偶極相互作用提供了量子糾纏,"解釋哈佛大學(xué)物理學(xué)家Yicheng Bao及其同事在他們的論文中。

量子比特是經(jīng)典計算比特的量子版本，可以假定值為 0 或 1。另一方面，量子比特可以表示多種可能的組合同時為 1 和 0。

通過糾纏量子比特，它們組合的 1 和 0 量子模糊可以在專門設(shè)計的算法中作為快速計算器運行。

分子是比原子或粒子更復(fù)雜的實體，具有更多的固有屬性或狀態(tài)，可以被誘導(dǎo)耦合在一起以形成量子比特。

“實際上，這意味著有存儲和處理量子信息的新方法。說普林斯頓大學(xué)電氣與計算機(jī)工程研究生Yukai Lu是第二項研究的合著者。

“例如，一個分子可以在多種模式下振動和旋轉(zhuǎn)。因此，您可以使用其中兩種模式對量子比特進(jìn)行編碼。如果分子種類是極性的，那么即使在空間上分開時，兩個分子也可以相互作用。

兩個團(tuán)隊都產(chǎn)生了超冷的一氟化鈣（CaF）分子，然后將它們一個接一個地捕獲在光鑷中。

利用這些緊密聚焦的激光束，分子成對放置，足夠接近，以至于一個CaF分子可以感知其伴侶的遠(yuǎn)距離電偶極相互作用。這導(dǎo)致每對分子都以糾纏的量子態(tài)連接起來，而不久前它們還是陌生人。

該方法通過對單個分子的精確操縱，“為開發(fā)新的多功能量子技術(shù)平臺鋪平了道路”。寫意大利國家研究委員會（National Research Council of Italy）的物理學(xué)家奧古斯托·斯梅爾齊（Augusto Smerzi）在隨行的視角中說。

Smerzi沒有參與這項研究，但看到了它的潛力。他說，通過利用分子的偶極相互作用，該系統(tǒng)有朝一日可能被用于開發(fā)能夠檢測超弱電場的超靈敏量子傳感器。

“應(yīng)用范圍從腦電圖測量大腦中的電活動到監(jiān)測地殼中電場的變化以進(jìn)行地震預(yù)測，”他說推測.

這兩項研究已發(fā)表在科學(xué),這里和這里.

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