开启量子技术的“新大门”！科学家首次实现单分子量子纠缠

量子世界，如同一个神秘的魔法世界，隐藏着许多令人难以置信的奇迹。在这个微观世界里，科学家们一直在探索着量子纠缠的奥秘。最近，研究人员首次在实验室中，成功实现单分子量子纠缠。这一里程碑式的成果为未来量子设备的发展打开了新的大门。在这个视频中，我将为你们揭示什么是量子纠缠？研究人员是如何实现单分子纠缠的？此次的突破又有何意义？

我们首先从量子纠缠说起。

当两个粒子，比如一对光子或电子纠缠在一起时，即使相隔非常遥远，它们都可以保持某种联系，瞬时共享它们的物理状态。举个例子，粒子都具有自旋的属性，它可以向上或向下，假如我们对纠缠粒子对中的一个粒子进行测，并得知它的自旋是向上的，那么我们就立即知道另一个粒子是向下的。爱因斯坦将这种神秘的关联称之为“鬼魅般的超距作用”。

图：纠缠的两个粒子。在进行测量之前，两个粒子的自旋处于向上或向下的叠加，只有在测量之后，它的自旋才会坍缩成其中一种状态。无论这两个粒子被分隔的多么遥远，一旦我们知道了其中一个粒子的自旋是向上的，那么我们就立即知道另一个粒子的自旋肯定向下。

尽管爱因斯坦曾对量子纠缠的真实性产生质疑，但过去所有的实验都证明了量子纠缠是真实存在的。现如今，量子纠缠对于许多量子应用都至关重要，包括量子计算机（可以比经典计算机更快地解决某些特定问题）、量子模拟器（也称专用量子计算机，可以模拟复杂材料量子行为）和量子传感器（可以比传统传感器更准确地测量）。

在过去的几十年里，量子纠缠已经在许多实验体系中实现：

光子系统：光子是最常见的量子纠缠实验平台。通过使用非线性光学效应，科学家们可以生成纠缠的光子对。这些光子对的纠缠状态可以在实验中被测量和操控，为量子通信等应用提供了可行性。

原子和冷原子气体系统：原子系统是最早被用于量子纠缠实验之一。科学家们使用冷却和操控原子的技术，成功地在原子之间建立了纠缠关系。他们通常会操控原子的自旋、动量等量子属性，使这些原子在特定条件下产生纠缠。冷原子气体中的玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate，BEC）等系统也被用于量子纠缠实验。BEC是一种特殊的物质状态，其中原子在几乎绝对零度时具有相同的量子态，为实验提供了可控的纠缠系统。这些系统具有很高的相干性和可扩展性，因此也是非常有前途的实验体系。

离子阱系统：科学家们通过使用离子阱技术可以将离子捕获在空间中，并通过操控它们的量子态来实现纠缠。离子阱系统因其相对较长的相干时间和精密的操控而被广泛用于量子计算实验。

超导电路系统：超导电路是量子计算领域中另一个重要的实验平台。通过将电路制成超导材料，科学家们能够在电流的超导态中实现量子比特之间的纠缠。这些系统的优势在于它们可以通过微波信号进行操控，便于集成和进行量子门操作。

除了以上提到的几种技术之外，长期以来，科学家认为分子（通常由多个原子组成）也是构建量子信息的优秀候选，这是因为分子具有更丰富的能级结构，从而提供了更多的可能性。

更具体地说，在量子信息处理和复杂材料的量子模拟的某些应用中，分子要比原子有优势，因为分子拥有更为丰富的量子自由度，这些自由度赋予了它们以独特且多样的方式进行相互作用的能力。

一个分子可以呈现出多种振动和转动模式，这为科学家提供了一个广阔的平台，他们可以利用其中的任意两种模式来精妙地编码一个量子比特。更为引人入胜的是，当分子具有极性特征时，即使两个分子在空间中被隔开，它们依然可以相互作用。

然而，正是分子的这种令人着迷的复杂性，使得在实验环境中对其进行精确控制成为一项极具挑战性的任务。

在新的研究中，两个研究团队通过对单分子进行精确的控制，解决了实现分子间的量子纠缠所会遇到的诸多挑战。

首先，研究人员选择了一种高度极性的CaF分子用于实验。在CaF分子中，电子团携带的负电荷聚集在氟原子上，使分子中的钙携带净正电荷。因此，两个氟化钙分子可以通过“感觉”彼此的正极和负极来发生相互作用。

接着，他们用激光技术将CaF分子冷却到几十微开尔文的温度，这仅比绝对零度高百万分之一度，在这样的低温下，量子力学发挥了主导作用。然后，这些超冷CaF分子会被陷俘在一个大约由20个成对的光学镊子（由紧密聚焦的激光束构成的复杂系统）组成的一维阵列中。每对光学镊子内的CaF分子通过长程电偶极力相互作用，导致CaF的转动能态的偶极发生自旋交换，从而使两个分子进入量子纠缠态。

为了使这些CaF分子纠缠在一起，研究人员必须让这些分子发生相互作用。于是，他们使用微波脉冲和光泵浦，将这些分子的内部状态设置为一种单一状态。与此同时，位于相邻光镊中的两个CaF分子被放置得非常接近，帮助它们感知到彼此的长程电偶极相互作用。

如此一来，在整个阵列中，成对的光学镊子的转动偶极就会发生自旋交换相互作用，它具体表现为一个CaF分子的两个转动能级与相邻的CaF分子的两个转动能级之间存在最强的相关性。这意味着研究人员从两个先前并不相关的分子中，动态地创建了所谓的贝尔态，这是一类重要的纠缠量子态。

通过允许相互作用持续一段精确的时间，研究人员实现了一个使两个分子纠缠在一起的双量子比特门。这一点非常重要，因为这种纠缠的双量子比特门是通用量子计算的基石。

现在，科学家终于实现了单分子间的纠缠，这一进展对研究量子科技在不同领域中的应用具有重大意义，比如它有助于科学家模拟量子自旋模型和处理量子信息。此外，这一成果也将有助于利用陷俘分子进行量子增强精度测量，以及探索分子间的碰撞等。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：薛鹏 北京计算机科学研究中心教授

审核：张文卓 夸密量子创始人兼CEO、前墨子号卫星团队成员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司