開啟量子技術的“新大門”！科學家首次實現單分子量子糾纏

量子世界，如同一個神秘的魔法世界，隱藏著許多令人難以置信的奇跡。在這個微觀世界里，科學家們一直在探索著量子糾纏的奧秘。最近，研究人員首次在實驗室中，成功實現單分子量子糾纏。這一里程碑式的成果為未來量子設備的發展打開了新的大門。在這個視頻中，我將為你們揭示什么是量子糾纏？研究人員是如何實現單分子糾纏的？此次的突破又有何意義？

我們首先從量子糾纏說起。

當兩個粒子，比如一對光子或電子糾纏在一起時，即使相隔非常遙遠，它們都可以保持某種聯系，瞬時共享它們的物理狀態。舉個例子，粒子都具有自旋的屬性，它可以向上或向下，假如我們對糾纏粒子對中的一個粒子進行測，并得知它的自旋是向上的，那么我們就立即知道另一個粒子是向下的。愛因斯坦將這種神秘的關聯稱之為“鬼魅般的超距作用”。

圖：糾纏的兩個粒子。在進行測量之前，兩個粒子的自旋處于向上或向下的疊加，只有在測量之后，它的自旋才會坍縮成其中一種狀態。無論這兩個粒子被分隔的多么遙遠，一旦我們知道了其中一個粒子的自旋是向上的，那么我們就立即知道另一個粒子的自旋肯定向下。

盡管愛因斯坦曾對量子糾纏的真實性產生質疑，但過去所有的實驗都證明了量子糾纏是真實存在的?，F如今，量子糾纏對于許多量子應用都至關重要，包括量子計算機（可以比經典計算機更快地解決某些特定問題）、量子模擬器（也稱專用量子計算機，可以模擬復雜材料量子行為）和量子傳感器（可以比傳統傳感器更準確地測量）。

在過去的幾十年里，量子糾纏已經在許多實驗體系中實現：

光子系統：光子是最常見的量子糾纏實驗平臺。通過使用非線性光學效應，科學家們可以生成糾纏的光子對。這些光子對的糾纏狀態可以在實驗中被測量和操控，為量子通信等應用提供了可行性。

原子和冷原子氣體系統：原子系統是最早被用于量子糾纏實驗之一?？茖W家們使用冷卻和操控原子的技術，成功地在原子之間建立了糾纏關系。他們通常會操控原子的自旋、動量等量子屬性，使這些原子在特定條件下產生糾纏。冷原子氣體中的玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate，BEC）等系統也被用于量子糾纏實驗。BEC是一種特殊的物質狀態，其中原子在幾乎絕對零度時具有相同的量子態，為實驗提供了可控的糾纏系統。這些系統具有很高的相干性和可擴展性，因此也是非常有前途的實驗體系。

離子阱系統：科學家們通過使用離子阱技術可以將離子捕獲在空間中，并通過操控它們的量子態來實現糾纏。離子阱系統因其相對較長的相干時間和精密的操控而被廣泛用于量子計算實驗。

超導電路系統：超導電路是量子計算領域中另一個重要的實驗平臺。通過將電路制成超導材料，科學家們能夠在電流的超導態中實現量子比特之間的糾纏。這些系統的優勢在于它們可以通過微波信號進行操控，便于集成和進行量子門操作。

除了以上提到的幾種技術之外，長期以來，科學家認為分子（通常由多個原子組成）也是構建量子信息的優秀候選，這是因為分子具有更豐富的能級結構，從而提供了更多的可能性。

更具體地說，在量子信息處理和復雜材料的量子模擬的某些應用中，分子要比原子有優勢，因為分子擁有更為豐富的量子自由度，這些自由度賦予了它們以獨特且多樣的方式進行相互作用的能力。

一個分子可以呈現出多種振動和轉動模式，這為科學家提供了一個廣闊的平臺，他們可以利用其中的任意兩種模式來精妙地編碼一個量子比特。更為引人入勝的是，當分子具有極性特征時，即使兩個分子在空間中被隔開，它們依然可以相互作用。

然而，正是分子的這種令人著迷的復雜性，使得在實驗環境中對其進行精確控制成為一項極具挑戰性的任務。

在新的研究中，兩個研究團隊通過對單分子進行精確的控制，解決了實現分子間的量子糾纏所會遇到的諸多挑戰。

首先，研究人員選擇了一種高度極性的CaF分子用于實驗。在CaF分子中，電子團攜帶的負電荷聚集在氟原子上，使分子中的鈣攜帶凈正電荷。因此，兩個氟化鈣分子可以通過“感覺”彼此的正極和負極來發生相互作用。

接著，他們用激光技術將CaF分子冷卻到幾十微開爾文的溫度，這僅比絕對零度高百萬分之一度，在這樣的低溫下，量子力學發揮了主導作用。然后，這些超冷CaF分子會被陷俘在一個大約由20個成對的光學鑷子（由緊密聚焦的激光束構成的復雜系統）組成的一維陣列中。每對光學鑷子內的CaF分子通過長程電偶極力相互作用，導致CaF的轉動能態的偶極發生自旋交換，從而使兩個分子進入量子糾纏態。

為了使這些CaF分子糾纏在一起，研究人員必須讓這些分子發生相互作用。于是，他們使用微波脈沖和光泵浦，將這些分子的內部狀態設置為一種單一狀態。與此同時，位于相鄰光鑷中的兩個CaF分子被放置得非常接近，幫助它們感知到彼此的長程電偶極相互作用。

如此一來，在整個陣列中，成對的光學鑷子的轉動偶極就會發生自旋交換相互作用，它具體表現為一個CaF分子的兩個轉動能級與相鄰的CaF分子的兩個轉動能級之間存在最強的相關性。這意味著研究人員從兩個先前并不相關的分子中，動態地創建了所謂的貝爾態，這是一類重要的糾纏量子態。

通過允許相互作用持續一段精確的時間，研究人員實現了一個使兩個分子糾纏在一起的雙量子比特門。這一點非常重要，因為這種糾纏的雙量子比特門是通用量子計算的基石。

現在，科學家終于實現了單分子間的糾纏，這一進展對研究量子科技在不同領域中的應用具有重大意義，比如它有助于科學家模擬量子自旋模型和處理量子信息。此外，這一成果也將有助于利用陷俘分子進行量子增強精度測量，以及探索分子間的碰撞等。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：薛鵬 北京計算機科學研究中心教授

審核：張文卓 夸密量子創始人兼CEO、前墨子號衛星團隊成員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司