普林斯顿大学[1]和哈佛大学[2]的研究团队分别报道了一种方案，用于调整可单独寻址分子的量子态，实现按需的量子纠缠，并在可重构光镊阵列中首次实验实现了双原子分子的纠缠。两个团队都是利用分子之间的电偶极相互作用，确定性地生成了由氟化钙(CaF)分子转动能级构成的贝尔态（最大纠缠态），并演示了iSWAP双比特量子门。该研究提供了控制单个分子的量子态以实现量子纠缠的方法，为将分子系统作为新的量子技术平台铺平道路。两项成果均于12月7日发表于《科学》杂志。
© Science普林斯顿大学团队的研究论文[1]以《可重构光镊阵列中的分子按需纠缠(On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array)》为题发表于《科学》杂志。
© Science哈佛大学团队的研究论文[2]以《光镊阵列中分子间的偶极自旋交换和纠缠(Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array)》为题发表于《科学》杂志。
量子信息处理需要量子纠缠的受控产生和操纵。尽管各种原子、光子和超导平台上已经实现了纠缠，但控制分子纠缠的产生是一个长期存在的挑战。
分子丰富的自由度可以为量子模拟提供更多的功能，并提供处理高维量子态的可能性。然而，正是分子更多的自由度使得它们在实验室环境中难以控制，主要障碍就是由众多内部转动和振动能态引起的复杂性。这些能态的布居阻碍了人们在单量子水平上控制分子内态以将其引导到所需的量子态。要做到这一点，需要将分子冷却到足够低的温度。近年来，通过直接激光冷却等技术，人们在冷却分子方面取得了显著突破。
两个研究团队都利用了束缚在可重构光镊阵列中的单氟化钙(CaF)分子对之间的远程电偶极相互作用，并且都成功地演示了一种重要的纠缠量子态的产生——所谓的“贝尔态”。贝尔态在量子信息和通信协议中起着关键作用，并在对量子力学基础理论框架的研究中发挥着特殊作用。这些纠缠态的特点是一个CaF分子的两个转动能级与附近另一个不同的近邻分子的两个转动能级之间存在最强的关联。这两个能级构成了一个量子比特，这是量子信息的基本单位。
研究团队所取得的成就是建立在对单个分子的精确控制之上的。许多单独的CaF分子被束缚在由大约20个间距为几微米的光镊所组成的可重构一维阵列中。在重排阵列以消除未占用的位置后，利用微波传输和光泵浦将这些分子的内态设置为单一的量子态。尽管存在由光镊的运动和其他因素造成的能量损失，该实验方案提供了一个高度可控的分子阵列，为量子操纵做好了准备。
超冷的氟化钙分子被两两束缚在光镊对的一维阵列中。© Science
研究团队使用这种设置创建了最大纠缠分子对的系综。位于相邻光镊中的两个CaF分子被放置得足够近，以感知它们的长程电偶极相互作用。这导致了阵列中每对光镊之间的转动偶极自旋交换相互作用，从而动态地从两个先前没有关联的分子中构建了贝尔态。这一受控的动力学过程有效地实现了iSWAP双比特量子门，其原则上足以为量子计算创建一组通用量子门。
研究团队对分子纠缠的操作和表征为开发新的通用量子技术平台铺平了道路。他们方法的显著特点包括很大的分子电偶极矩——其远超原子的典型值——以及长寿命相干量子态的丰富结构。这将允许人们研究例如此前未表征的物质拓扑相，并开发具有纠缠增强灵敏度的传感器，用于检测超弱电场，进而可以监测大脑电活动或地壳电场变化。
此外，由于分子目前被用于单个光子发射和非线性光学器件，分子之间的纠缠可以作为控制发射光子量子特性的手段。另一方面，分子光谱学方案可以用于计量应用，其目标是超越粒子物理标准模型的基础物理测试。可以预期，集成各种分子、原子、光学和超导平台的混合架构将成为近期量子技术的中心主题。
论文链接：
[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999
报道链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179
https://phys.org/news/2023-12-physicists-entangle-individual-molecules-hastening.html