中國科大在分子的量子糾纏研究取得重要進展

2020-11-30 中國科大..

中國科學技術大學杜江峰院士領導的中科院微觀磁共振重點實驗室與美國國家標準技術研究所合作，在離子阱體系實現帶電原子和帶電分子的聯合調控，首次製備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，並且通過定量表徵手段，確定產生的量子糾纏超過臨界閾值。該研究成果以」Quantum entanglement between an atom and a molecule」為題於5月20日在線發表在《自然》上[Nature 581, 273–277(2020)]。這項成果對於未來考慮使用分子進行量子信息處理有重要推動作用。


目前有多種體系可用於探索實現量子傳感和量子信息處理。其中，分子作為多個原子組成的系統，原子集團可以轉動和發生振動，由此帶來獨特的屬性。例如，類比陀螺的轉動和使用彈簧連接的小球振動，分子可以有不同轉動角速度和角度以及振動模式，這些經典的物理量可以通過量子化形成量子狀態。因此分子可以處於能量跨度相當大的不同量子狀態，狀態之間能量差別所對應的頻率可以從接近零一直到達數百THz（每秒百萬億次）的光學頻率，因此分子可以作為媒介，用於匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統，實現複合的量子體系和信息處理平臺。


另外，極性分子之間可以產生長程的相互作用，有利於實現新型的量子信息處理平臺；極性分子對電場非常敏感，可以與微波光子系統，懸臂梁振子等體系相互作用。為了連接單個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。當兩個粒子處於糾纏態，便不再能單獨描述每個粒子的狀態，兩個粒子形成一個緊密的整體，這樣的關聯屬性在量子計算和一些量子精密測量中有重要應用。


最近國內外對於分子的研究有長足發展，在信息處理方面取得一系列突破，包括對分子的束縛和冷卻，分子的量子信息高質量讀出，大量分子之間量子糾纏的探索，以及高精度的分子測譜等。真空中束縛的單個分子尺度的研究也急速發展，有從兩個束縛原子生成單個分子，單分子與單原子相互作用等重要進展。


在這項工作中，通過在離子阱體系束縛帶電的鈣原子和氫化鈣分子，使用雷射調控制備出他們之間的糾纏態。這樣的狀態非常奇特：簡單來說，當鈣離子的電子軌道狀態處於基態，分子的轉動也在低轉動能量狀態（由轉動量子數描述）的一種整體狀態；同時可以「疊加」截然不同的另一種整體態——前者處於軌道的激發態，對應分子處於高轉動能量的狀態。相反的激發配對也可以製備。這裡基態和激發態可以存儲量子信息，類似二進位的「0」和「1」，也稱為量子比特。為了展示分子狀態的頻率跨度，實驗中選取了轉動能量靠近的一對轉動態作為比特，頻率間隔分別為13.4 kHz（約每秒一萬次）以及間隔為855 GHz（每秒近萬億次），分別使用雷射脈衝定量演示與原子產生糾纏。

 

這項工作使用的原子和分子，以及存儲和處理信息的能級


這裡使用的雷射調控技術包含多個波長（顏色）的雷射，包括紫外和多個紅外波段，用於匹配相應的原子和分子譜線，以實現離子的冷卻、探測以及量子態調控等過程。這裡結合了近年來發展的多項重要技術，包括利用帶電原子和分子的電相互作用實現信息的傳遞，可以在不丟失分子的情況下利用原子間接讀出其信息；使用紅外的雷射實現分子轉動態的高精度調控等技術。實驗中，研究人員首先初始化原子和分子到某個確定的低能量狀態（基態），並且冷卻他們的運動到接近量子的極限。繼而使用雷射製備出單個分子轉動維度，轉動高低能量（可以姑且理解為高低轉速）狀態的疊加，再通過一些列複雜的雷射脈衝序列，使得譬如高轉動能量的分子的成分引發原子受激發到高能量狀態（激發態），產生所需的量子關聯——糾纏態。最後，通過觀察不同情況下原子和分子協同的狀態關聯，可以整合所有信息成一個範圍在0到1之間的值，超過0.5的閾值即表示糾纏態的出現。實驗中測得的數值在誤差範圍內遠高出這個閾值，表明糾纏態的產生。


本文的第一完成單位是中科院微觀磁共振重點實驗室。該實驗室專注於自旋科學技術及其應用的實驗研究，是本領域具有國際知名度的實驗室。自主研發了一系列先進的自旋實驗方法技術和實驗裝備，將自旋調控的靈敏度和解析度提升到國際領先水平，在與信息科學、生命科學和基礎物理的前沿交叉研究中取得了具有重要國際影響的研究成果。該室從2000年起一直從事自旋相關的量子計算研究，保持著使用量子算法完成最大整數的質因數分解、室溫固態體系最高精度量子邏輯門控制等世界記錄。


實驗室在十餘年前即開始布局離子阱實驗方向。本文第一作者和通訊作者林毅恆教授在2008-2009年曾在實驗室跟隨導師杜江峰教授和彭新華教授從事核磁共振量子信息實驗研究，取得本科學位後被派往美國科羅拉多大學博爾德分校，師從諾貝爾獎得主David J. Wineland教授學習離子阱實驗原理和技術。在國外期間，林毅恆發表了2篇《自然》和9篇《物理評論快報》。2018年從海外回歸團隊，從事離子阱量子信息實驗平臺的建設和相關研究。回國後，除發表了本文的工作外，林毅恆與美國國家標準研究所研究人員合作的使用光頻梳對分子的轉動能級和轉動常數進行高精度測量的成果也於2020年3月發表在《科學》上[Science 367, 1458–1461 (2020)]。


本文合作者為美國國家標準技術研究所科學家David Leibrandt, Dietrich Leibfried和Chin-wen Chou。這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委和安徽省的資助。


（中科院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）


論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2257-1


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