首次实现单分子“纠缠”！普林斯顿大学发表《Science》推进量子加速
首次实现单分子“纠缠”！普林斯顿大学发表《Science》推进量子加速
导读：普林斯顿大学研究团队在量子科学领域取得重大突破，首次成功实现单分子的量子纠缠。这一成果不仅为量子计算和量子信息处理开辟了新的可能性，也为探索分子作为量子比特平台的潜力提供了重要参考。
用于冷却、控制和纠缠单个分子的激光装置（图片来自普林斯顿大学）
美国普林斯顿大学的研究人员，使用创新光镊技术，首次成功使单分子进入量子纠缠态。该状态下，即使分子之间相隔万里，甚至处于宇宙两端，它们仍能保持相互关联并相互作用。这项研究已经发表在了《Science》杂志上。
普林斯顿大学物理学助理教授、论文作者Lawrence Cheuk表示：“这项研究是分子世界的一项突破，也是实际应用的一项突破，纠缠分子会为未来发现更多应用场景奠定基础。”
物理系研究生Connor Holland也是该篇论文的共同作者，他说“开展量子科学研究的原因之一，是探究如何将量子力学定律运用到现实应用中。”
量子设备超越经典设备性能的现象被称为“量子优势”。其核心原理是叠加和量子纠缠特性。
量子纠缠对量子力学发展具有重要意义。当两个粒子形成紧密无间的联系时，即使两者相隔数光年之远，这种关联依然存在。爱因斯坦曾将此现象描述为“幽灵般的远距离相互作用”。
从那时起，物理学家们就已经证明，“纠缠”实际上是对物理世界和现实构造的准确描述。
“量子纠缠是一个基本概念，同时也是赋予量子优势的关键因素。”Lawrence Cheuk说。
然而，实现量子优势和可控量子纠缠依旧是一项挑战，尤其是在工程师和科学家尚未确定哪种物理平台最适合构建量子比特的情况下。
过去几十年间，人们探索了各类技术，如离子阱、光量子和超导等，并将它们视为开发量子计算机等设备的主流技术，但量子系统或量子比特平台的优劣取决于具体应用的真实体验效果。
此次实验之前，分子一直无法实现可控量子纠缠。但Lawrence Cheuk和他的同事们发现了一种方法，即在实验室中对单个分子进行精密操控，使它们进入紧密相连的量子态。
他们认为，分子在某些方面比原子更具优势，更适合量子信息处理和复杂材料的量子模拟等领域的应用。相较于原子，分子具有更高的量子自由度，能够以新方式相互作用。
“实际上，这意味着存在新型存储和处理量子信息的方法，”论文的共同作者、电子和计算机工程研究生Yukai Lu说，“例如，某些分子具有多种振动和旋转模式。研究者可以利用其中的两种模式来编码一个量子比特。若分子具有极性特性，那么即使这些分子在空间上相互分离，它们仍可实现相互作用。”
然而，分子的复杂性使其难以在实验室中被控制。所以在实验室环境下，要想实现分子所具备的高量子自由度控制变得异常困难。
Lawrence Cheuk及其团队成员针对相关难题，精心设计了一系列实验方案。
他们首先挑选了一种既具有极性特性，又可经激光冷却的分子。
然后，单个分子被一个紧密聚焦的复杂激光系统（即所谓的“光镊”）夹起。通过设计镊子的位置，他们能够创建大量的单分子阵列，并将它们单独定位到任何所需的一维结构中。例如，他们创造了孤立的分子对和无缺陷的分子串。
接下来，他们将一个量子比特分别编码为分子的非旋转和旋转状态。他们证实了该分子量子比特能够保持相干，即其能够保留叠加态。简而言之，研究人员展示了通过单独控制的分子创建具有良好性能的相干量子比特的能力。
为了实现分子间的纠缠，研究者们需使分子相互作用。通过运用一系列微波脉冲，他们成功促使单个分子以连贯的方式发生相互作用。
借助在精确时间范围内让分子相互作用，研究者们能够实现纠缠两个分子的双量子比特门。这一点具有重要意义，因为此类纠缠双量子比特门是通用数字量子计算和复杂材料模拟的基础。
Lawrence Cheuk团队研究的多种相互作用分子可用于模拟量子多体系统，其中也可能出现有趣的新发现，例如新磁性等。
Lawrence Cheuk强调：“将分子运用于量子科学是一项新的前沿研究领域。我们提出的按需纠缠可证明分子具备作为量子科学研究平台的潜力。”
在同一期《Science》杂志上发表的另一篇文章中，由哈佛大学John Doyle、Kang-Kuen Ni和麻省理工学院Wolfgang Ketterle共同带领的研究小组也取得了类似的成果。
Lawrence Cheuk指出：“其他团队实验结果与我们的一致，这也证实了我们研究成果的可靠性。同时也说明，分子光镊阵列正逐步发展为量子科学领域极具创新力的新平台。”