【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所合作，在離子阱體系實(shí)現(xiàn)帶電原子和帶電分子的聯(lián)合調(diào)控，首次制備了單原子和單分子之間的量子糾纏態(tài)，并且通過(guò)定量表征手段，確定產(chǎn)生的量子糾纏超過(guò)臨界閾值。這項(xiàng)成果對(duì)于未來(lái)考慮使用分子進(jìn)行量子信息處理有重要推動(dòng)作用。
 

　　美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室傳感器與電子設(shè)備局物理學(xué)家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精確傳感系統(tǒng)涉及量子傳感器，量子傳感器基于激光冷卻原子，極可能大幅提升系統(tǒng)性能。激光冷卻原子是小型相干氣體原子，可以測(cè)量重力場(chǎng)或磁場(chǎng)變化，不僅非常精確，而且靈敏度很高。
 

　　目前有多種體系可用于探索實(shí)現(xiàn)量子傳感和量子信息處理。其中，分子作為多個(gè)原子組成的系統(tǒng)，原子集團(tuán)可以轉(zhuǎn)動(dòng)和發(fā)生振動(dòng)，由此帶來(lái)獨(dú)特的屬性。例如，類(lèi)比陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)和使用彈簧連接的小球振動(dòng)，分子可以有不同轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和角度以及振動(dòng)模式，這些經(jīng)典的物理量可以通過(guò)量子化形成量子狀態(tài)。因此分子可以處于能量跨度相當(dāng)大的不同量子狀態(tài)，狀態(tài)之間能量差別所對(duì)應(yīng)的頻率可以從接近零一直到達(dá)數(shù)百THz(每秒百萬(wàn)億次)的光學(xué)頻率，因此分子可以作為媒介，用于匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合的量子體系和信息處理平臺(tái)。
 

　　另外，極性分子之間可以產(chǎn)生長(zhǎng)程的相互作用，有利于實(shí)現(xiàn)新型的量子信息處理平臺(tái)；極性分子對(duì)電場(chǎng)非常敏感，可以與微波光子系統(tǒng)、懸臂梁振子等體系相互作用。為了連接單個(gè)分子到其他量子載體以傳遞量子信息，演示量子糾纏是重要的一步。當(dāng)兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，便不再能單獨(dú)描述每個(gè)粒子的狀態(tài)，兩個(gè)粒子形成一個(gè)緊密的整體，這樣的關(guān)聯(lián)屬性在量子計(jì)算和一些量子精密測(cè)量中有重要應(yīng)用。
 

　　分子中正負(fù)電荷中心不重合，從整個(gè)分子來(lái)看，電荷的分布是不均勻的，不對(duì)稱(chēng)的，這樣的分子為極性分子，以極性鍵結(jié)合的雙原子分子一定為極性分子，極性鍵結(jié)合的多原子分子視結(jié)構(gòu)情況而定如CH4就不是極性分子。
 

　　最近國(guó)內(nèi)外對(duì)于分子的研究有長(zhǎng)足發(fā)展，在信息處理方面取得一系列突破，包括對(duì)分子的束縛和冷卻、分子的量子信息高質(zhì)量讀出、大量分子之間量子糾纏的探索，以及高精度的分子測(cè)譜等。真空中束縛的單個(gè)分子尺度的研究也急速發(fā)展，有從兩個(gè)束縛原子生成單個(gè)分子、單分子與單原子相互作用等進(jìn)展。
 

　　在這項(xiàng)工作中，通過(guò)在離子阱體系束縛帶電的鈣原子和氫化鈣分子，使用激光調(diào)控制備出他們之間的糾纏態(tài)。這樣的狀態(tài)非常奇特：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)鈣離子的電子軌道狀態(tài)處于基態(tài)，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)也在低轉(zhuǎn)動(dòng)能量狀態(tài)(由轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)描述)的一種整體狀態(tài)；同時(shí)可以“疊加”截然不同的另一種整體態(tài)――前者處于軌道的激發(fā)態(tài)，對(duì)應(yīng)分子處于高轉(zhuǎn)動(dòng)能量的狀態(tài)。相反的激發(fā)配對(duì)也可以制備。這里基態(tài)和激發(fā)態(tài)可以存儲(chǔ)量子信息，類(lèi)似二進(jìn)制的“0”和“1”，也稱(chēng)為量子比特。為了展示分子狀態(tài)的頻率跨度，實(shí)驗(yàn)中選取了轉(zhuǎn)動(dòng)能量靠近的一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)作為比特，頻率間隔分別為13.4 kHz(約每秒一萬(wàn)次)以及間隔為855 GHz(每秒近萬(wàn)億次)，分別使用激光脈沖定量演示與原子產(chǎn)生糾纏。
 

　　離子阱(Ion trap)，大致分為三維離子阱(3D Ion Trap)、線(xiàn)性離子阱(Linear Ion Trap)、軌道離子阱(Orbitrap)三種。
 

　　除軌道離子阱外，離子阱使用電磁場(chǎng)將離子限定在特定的空間內(nèi)，通過(guò)改變電場(chǎng)的參數(shù)，使特定的離子進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，最終導(dǎo)致離子從預(yù)留的孔或窄縫中射出到達(dá)檢測(cè)器。除軌道離子阱，離子阱質(zhì)量選擇器因?yàn)槠涮赜械目臻g限定特點(diǎn)，使其在多級(jí)質(zhì)譜分析(MS-MS)中占據(jù)了重要的地位。
 

　　這里使用的激光調(diào)控技術(shù)包含多個(gè)波長(zhǎng)(顏色)的激光，包括紫外和多個(gè)紅外波段，用于匹配相應(yīng)的原子和分子譜線(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)離子的冷卻、探測(cè)以及量子態(tài)調(diào)控等過(guò)程。這里結(jié)合了近年來(lái)發(fā)展的多項(xiàng)重要技術(shù)，包括利用帶電原子和分子的電相互作用實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，可以在不丟失分子的情況下利用原子間接讀出其信息；使用紅外的激光實(shí)現(xiàn)分子轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的高精度調(diào)控等技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先初始化原子和分子到某個(gè)確定的低能量狀態(tài)(基態(tài))，并且冷卻他們的運(yùn)動(dòng)到接近量子的極限。
 

　　繼而使用激光制備出單個(gè)分子轉(zhuǎn)動(dòng)維度，轉(zhuǎn)動(dòng)高低能量(可以姑且理解為高低轉(zhuǎn)速)狀態(tài)的疊加，再通過(guò)一系列復(fù)雜的激光脈沖序列，使得譬如高轉(zhuǎn)動(dòng)能量的分子的成分引發(fā)原子受激發(fā)到高能量狀態(tài)(激發(fā)態(tài))，產(chǎn)生所需的量子關(guān)聯(lián)――糾纏態(tài)。最后，通過(guò)觀察不同情況下原子和分子協(xié)同的狀態(tài)關(guān)聯(lián)，可以整合所有信息成一個(gè)范圍在0到1之間的值，超過(guò)0.5的閾值即表示糾纏態(tài)的出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)值在誤差范圍內(nèi)遠(yuǎn)高出這個(gè)閾值，表明糾纏態(tài)的產(chǎn)生。