5 月 20 日，發(fā)表在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上的一篇論文報(bào)告了這種在分子層面上的量子控制能力。由于分子比特頻率可以在寬范圍內(nèi)選擇，論文相信，類(lèi)似機(jī)制可以用作混合量子信息系統(tǒng)中的“轉(zhuǎn)換器”，正如經(jīng)典計(jì)算機(jī)需要兼容處理器、光盤(pán)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等不同屬性的物理載體，以進(jìn)行信息處理、存儲(chǔ)或傳輸。

　　在激光控制下，被困在電磁場(chǎng)陷阱中的一個(gè)分子離子和一個(gè)原子離子出現(xiàn)了神奇的糾纏效應(yīng)。

　　量子糾纏是愛(ài)因斯坦口中“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。

　　讓光子糾纏起來(lái)比較簡(jiǎn)單，只要把光子打到特殊的晶體材料上，它就會(huì)變成一對(duì)糾纏光子。如果其中一個(gè)光子的自旋方向是“朝上”的話(huà)，那與之糾纏的另一個(gè)光子的自旋方向一定是“朝下”的。

　　而光子和原子之間會(huì)發(fā)生相互作用，原子吸收或失去光子后能級(jí)會(huì)升高或降低，可以利用這種相互作用使得光子和原子糾纏起來(lái)，甚至通過(guò)一個(gè)光子的連續(xù)相互作用將多個(gè)原子糾纏起來(lái)。

　　在實(shí)際操作中，要對(duì)原子實(shí)現(xiàn)如此精確的操控和測(cè)量，關(guān)鍵還是把原子固定住，減少它的振動(dòng)。雖然科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的“一動(dòng)不動(dòng)”的原子目前不可能實(shí)現(xiàn)，但他們想出了很多有效的方法讓原子“冷靜”下來(lái)。例如，用電磁場(chǎng)囚禁住失去一個(gè)電子后帶正電的原子離子，再用激光施加阻力。

　　類(lèi)似的冷原子技術(shù)已經(jīng)在原子鐘和量子計(jì)算領(lǐng)域取得了很多應(yīng)用。而分子是由多個(gè)原子以不同姿態(tài)組成的，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，更難控制。分子像原子一樣有不同的能級(jí)，可以不同的角度和速度旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)，因此也有包含更多維度的信息，能否在分子上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的玩法呢？

　　2017 年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）捕獲了兩個(gè)相距幾百萬(wàn)分之一的鈣離子。氫氣泄漏到真空室中，直到一個(gè)鈣離子和一個(gè)氫原子結(jié)合形成氫化鈣分子離子。接著，研究人員使用激光來(lái)冷卻原子離子，用紅外激光脈沖調(diào)制以驅(qū)動(dòng)分子在超過(guò) 100 種可能旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中，實(shí)現(xiàn)特定兩種之間的轉(zhuǎn)換，就像二極管表達(dá)“0”或“1”。

　　這次的論文是上述“量子邏輯光譜學(xué)”技術(shù)的延伸，用一組不同強(qiáng)度、方向和脈沖序列的藍(lán)色和紅外激光對(duì)分子離子進(jìn)行冷卻、糾纏和狀態(tài)讀取。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　同樣，先是捕獲兩個(gè)離子，因正電互斥，構(gòu)成彈簧一般的動(dòng)態(tài)鎖定。通過(guò)激光增加能量，分子在低能和高能旋轉(zhuǎn)態(tài)上疊加，引發(fā)兩個(gè)離子共同擺動(dòng)。分子的狀態(tài)與這種運(yùn)動(dòng)形成糾纏。

　　最后，再用激光誘發(fā)原子離子的高低能態(tài)疊加，就將氫化鈣離子（CaH+）的兩組轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)和轉(zhuǎn)而與鈣離子的兩個(gè)能級(jí)糾纏起來(lái)。

　　鈣離子和氫化鈣離子（CaH+）的能級(jí)轉(zhuǎn)換

　　在該實(shí)驗(yàn)中，分子比特可以從低頻狀態(tài)（13.4 千赫茲）轉(zhuǎn)換到高頻狀態(tài)（8.55 萬(wàn)億億赫茲）。

　　研究團(tuán)隊(duì)相信，用不同元素組成不同分子，就可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的分子比特屬性選擇，在量子信息科學(xué)、量子傳感器、量子化學(xué)等領(lǐng)域有應(yīng)用潛力。

　　該論文的第一作者兼通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授林毅恒。另外三位作者 David R. Leibrandt、Dietrich Leibfried 和 Chin-wen Chou 來(lái)自 NIST 時(shí)間與頻率部。

　　NIST 研究人員 Chin-wen Chou 在調(diào)試激光

　　公開(kāi)資料顯示，林毅恒 1986 年 12 月生于廣東，2009 年自中科大本科畢業(yè)后前往美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校（CU Boulder，師從諾貝爾物理獎(jiǎng)得主戴維·瓦恩蘭（David Wineland），2015 年獲得博士學(xué)位。2010 年至 2015 年同時(shí)在 NIST 擔(dān)任助理研究員。

　　林毅恒

　　瓦恩蘭在提高光譜測(cè)量精度上做出了巨大的貢獻(xiàn)，極大推動(dòng)了實(shí)現(xiàn)更高精度原子鐘技術(shù)的發(fā)展和與原子量子態(tài)操控技術(shù)的發(fā)展。瓦恩蘭困住帶電原子或離子，通過(guò)光或光子來(lái)控制和測(cè)量它們，因此在 2012 年被授予諾獎(jiǎng)。

　　此前，林毅恒已經(jīng)參與 9 篇《物理評(píng)論快報(bào)》（PRL）、2 篇《自然》、1 篇《科學(xué)》論文。不過(guò)，以第一作者身份發(fā)表《自然》論文，尚屬首次。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的中科大33岁教授再发《自然》：实现原子与分子间的量子纠缠的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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