以下文章来源于原理 ，作者小雨

分子的纠缠

量子世界充满许多匪夷所思但又真实存在的现象。在现实世界中，利用量子力学定律可以让我们在许多领域都做得更好，例如量子计算机可以比经典计算机更快地解决某些特定问题，量子模拟器可以模拟复杂材料的行为，量子传感器可以比传统传感器更快地测量。

量子设备超越经典设备的能力被称为“量子优势”，而量子优势的核心是叠加和纠缠的原理。在经典计算机中，一个比特的值要么是0，要么是1；而量子比特则可以同时处于0和1的叠加态。而后一种概念——纠缠，则是量子力学的主要基石，处于量子纠缠的粒子能够以某种方式紧密地联系在一起，即使它们相距光年之远。

然而，创建量子优势和实现可控的量子纠缠，仍是一个不小的挑战，尤其是因为科学家们仍不清楚哪些物理系统最适合用于创建量子比特。在过去几十年里，许多不同的技术，如陷俘离子、光子、超导电路等，都被作为量子设备的候选平台进行了探索。但长期以来，单分子间的量子纠缠却难以实现。

12月7日，由哈佛大学和普林斯顿大学的两个独立的科学家团队，在《科学》杂志上分别发表了两项研究，报道了他们利用一种被称为光学镊子的激光设备，首次实现了让成对的一氟化钙（CaF）分子处于量子纠缠态中。

在光学镊子中操控分子

在量子信息处理和复杂材料的量子模拟中的一些应用中，分子被认为比原子更具有优势，因为分子具有更多的量子自由度，可以以一些新的方式相互作用。例如，一个分子能够以多种模式振动和转动。因此，科学家可以用其中任意两种模式来编码一个量子比特。如果分子种类是极性的，那么即使两个分子在空间上是分开的，它们也可以相互作用。

但与此同时，正是因为分子的这种复杂性，使得它们在实验室环境中更加难以控制。在新的研究中，两个研究团队通过对单分子进行精确的控制，解决了实现分子间的量子纠缠所会遇到的诸多挑战。

首先，研究人员选择了一种高度极性的CaF分子用于实验。在CaF分子中，电子团携带的负电荷聚集在氟原子上，使分子中的钙携带净正电荷。因此，两个氟化钙分子可以通过“感觉”彼此的正极和负极来发生相互作用。

接着，他们用激光技术将CaF分子冷却到几十微开尔文的温度，这仅比绝对零度高百万分之一度，在这样的低温下，量子力学发挥了主导作用。然后，这些超冷CaF分子会被陷俘在一个大约由20个成对的光学镊子（由紧密聚焦的激光束构成的复杂系统）组成的一维阵列中。

每对光学镊子内的CaF分子通过长程电偶极力相互作用，导致CaF的转动能态的偶极发生自旋交换，从而使两个分子进入量子纠缠态。（图/Science）

为了使这些CaF分子纠缠在一起，研究人员必须让这些分子发生相互作用。于是，他们使用微波脉冲和光泵浦，将这些分子的内部状态设置为一种单一状态。与此同时，位于相邻光镊中的两个CaF分子被放置得非常接近，帮助它们感知到彼此的长程电偶极相互作用。

如此一来，在整个阵列中，成对的光学镊子的转动偶极就会发生自旋交换相互作用，它具体表现为一个CaF分子的两个转动能级与相邻的CaF分子的两个转动能级之间存在最强的相关性。这意味着研究人员从两个先前并不相关的分子中，动态地创建了所谓的贝尔态，这是一类重要的纠缠量子态。

通过允许相互作用持续一段精确的时间，研究人员实现了一个使两个分子纠缠在一起的双量子比特门。这一点非常重要，因为这种纠缠的双量子比特门是量子计算和复杂材料模拟的基石。

重要的突破

现在，两个研究团队证明了分子是可以纠缠在一起的，为开发新的通用量子技术平台打下了基础。研究人员表示，这一进展对研究量子科学在不同领域中的应用具有重大意义，比如它有助于科学家模拟量子多体系统，探索多分子相互作用的物理学。此外，这一成果也将有助于利用陷俘分子进行高精度测量，从而揭示新的基本粒子的存在。

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

转自：“蔻享学术”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！