巨大的第一：物理學(xué)家以驚人的精度“糾纏”單個(gè)分子

分子體積龐大且難以纏斗，長(zhǎng)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(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)首次使用相同的方法成功地糾纏了成對(duì)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(gè)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(gè)商業(yè)量子計(jì)算機(jī).

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

如果兩個(gè)物體糾纏在一起，了解一個(gè)物體的屬性——它的自旋、位置或動(dòng)量——會(huì)立即作為對(duì)另一個(gè)物體的測(cè)量，使它們兩個(gè)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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)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(gè)團(tuán)隊(duì)糾纏不清數(shù)萬億個(gè)原子在“又熱又亂”的氣體中。令人印象深刻，但不是很實(shí)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(duì)的單個(gè)分子 - 具有足夠的精度量子計(jì)算目的 – 這是一項(xiàng)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(gè)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(gè)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(jì)算中量子比特的有希望的候選者，因?yàn)樗鼈優(yōu)橛?jì)算提供了新的可能性。

“它們的長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)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(shí)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(jì)的算法中作為快速計(jì)算器運(yùn)行。

分子是比原子或粒子更復(fù)雜的實(shí)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(shí)際上，這意味著有存儲(chǔ)和處理量子信息的新方法。說普林斯頓大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程研究生Yukai Lu是第二項(xiàng)研究的合著者。

“例如，一個(gè)分子可以在多種模式下振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。因此，您可以使用其中兩種模式對(duì)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(shí)，兩個(gè)分子也可以相互作用。

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都產(chǎn)生了超冷的一氟化鈣（CaF）分子，然后將它們一個(gè)接一個(gè)地捕獲在光鑷中。

利用這些緊密聚焦的激光束，分子成對(duì)放置，足夠接近，以至于一個(gè)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(duì)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(duì)單個(gè)分子的精確操縱，“為開發(fā)新的多功能量子技術(shù)平臺(tái)鋪平了道路”。寫意大利國(guó)家研究委員會(huì)（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(xiàng)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(cè)超弱電場(chǎng)的超靈敏量子傳感器。

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

這兩項(xiàng)研究已發(fā)表在科學(xué),這里和這里.

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