單分子量子糾纏首次實(shí)現(xiàn)

  ICC訊 美國(guó)兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在7日出版的《科學(xué)》雜志上分別刊文稱，他們首次讓單個(gè)的分子處于量子糾纏狀態(tài)。在這種奇怪的狀態(tài)下，分子之間即使相距遙遠(yuǎn)也能同時(shí)相互關(guān)聯(lián)、相互作用。研究團(tuán)隊(duì)指出，這項(xiàng)研究為很多應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，包括構(gòu)建更好的量子計(jì)算機(jī)、量子模擬器和傳感器等。

  實(shí)現(xiàn)可控的量子糾纏面臨諸多挑戰(zhàn)，此前科學(xué)家從未讓單個(gè)分子發(fā)生量子糾纏。研究人員指出，與原子相比，分子具有更多量子自由度，可以新方式相互作用，這使它們特別適合用于某些量子信息處理和復(fù)雜材料的量子模擬。但分子非常復(fù)雜，自由度難以把控，因此讓單個(gè)分子發(fā)生量子糾纏極為困難。

  在最新研究中，普林斯頓大學(xué)物理學(xué)助理教授勞倫斯·丘克等人選擇了一種具有極性的分子，用激光將其冷卻到超低溫，然后使用一套激光束系統(tǒng)“光鑷”擷取單個(gè)分子，由此可以創(chuàng)建由一個(gè)一個(gè)的分子組成的陣列，如孤立的分子對(duì)和無(wú)缺陷的分子串。

  接下來(lái)，他們將量子比特編碼為分子的非旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并證明這些分子量子比特仍然相干（疊加）。另外，他們使用一系列微波脈沖，使單個(gè)的分子以相干方式相互糾纏，并讓這種糾纏持續(xù)了一定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)糾纏分子的雙量子比特門，后者是通用數(shù)字量子計(jì)算和復(fù)雜材料模擬的基石。哈佛大學(xué)科學(xué)家開(kāi)展的類似實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

  研究團(tuán)隊(duì)指出，這種分子陣列有望成為很多量子研究領(lǐng)域的新平臺(tái)，如模擬量子多體系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)材料的新磁性等。

  量子信息技術(shù)是目前炙手可熱的前沿科學(xué)領(lǐng)域，相關(guān)研究進(jìn)展層出不窮。多個(gè)量子比特的相干操縱和糾纏態(tài)制備，是發(fā)展可擴(kuò)展量子信息技術(shù)，特別是量子計(jì)算的最核心指標(biāo)。量子計(jì)算實(shí)現(xiàn)的必要條件包括可擴(kuò)展、可初始化、長(zhǎng)相干等。其中，可擴(kuò)展性即增加量子比特?cái)?shù)目，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算；而長(zhǎng)相干時(shí)間即量子態(tài)保持量子相干，能用于邏輯運(yùn)算。此前，科學(xué)家已實(shí)現(xiàn)多個(gè)光量子比特超糾纏態(tài)的實(shí)驗(yàn)制備，讓單個(gè)分子處于量子糾纏狀態(tài)，有望為量子信息技術(shù)研究帶來(lái)新啟發(fā)。