本報訊（記者楊凡）關於量子糾纏，科學家的研究對象多是光子。但最新研究表明，經過調控，分子尺度也可以出現量子糾纏現象。中國科學院微觀磁共振重點實驗室教授林毅恆團隊與美國合作者，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。該研究成果近日在線發表於《自然》。這項成果對未來利用分子進行量子信息處理有重要推動作用。
分子作為多個原子組成的系統，其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。研究發現，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，構成複合的量子體系和信息處理平臺。
在本研究中，科學家通過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它們之間的糾纏態。這項研究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），並且冷卻其運動到接近量子的極限。然後，他們使用雷射作用在單個分子上製備出轉動維度高低能量的疊加狀態，再通過一系列複雜的雷射脈衝序列，產生所需的量子關聯——糾纏態。研究人員表示，通過觀察不同情況下原子和分子協同的狀態關聯，可以將所有信息整合成一個範圍在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。
這項研究的第一完成單位是由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。該實驗室專注於自旋科學技術及其應用的實驗研究，自主研發了一系列先進的自旋實驗方法技術和實驗裝備。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2257-1
《中國科學報》 (2020-05-27 第1版 要聞)