中美兩國科學家通過連接或「糾纏」帶電原子和帶電分子，增強了他們在量子水平上對分子基本性能的控制，展示了一種通過構建可混合的量子信息系統來操作、存儲和傳輸不同形式數據的方法。這一題為：「原子與分子之間的量子糾纏」（Quantum entanglement between an atom and a molecule）的最新研究成果論文發表在今天剛出的《自然》雜誌上。
論文第一作者與通訊作者、中國科學技術大學物理學院近代物理系教授、林毅恆（Yiheng Lin），他曾師從2012年諾貝爾物理獎得主、David Wineland教授，在美國國家標準技術研究院做博士後研究員。論文中另一位為中國博士後研究人員周進文（Chin-wen Chou）。
在該研究論文中，描述了這種新的方法，它可以基於不兼容的硬體設計和工作頻率，通過連接量子位來幫助構建大規模量子計算機和網絡。混合平臺量子系統可以像常規計算機系統一樣提供多功能性，例如，可以在電子處理器、光碟和磁性硬碟驅動器之間交換數據。
研究團隊的實驗成功地將原子離子中電子的性質與分子的旋轉狀態糾纏在一起，因此對一個粒子的測量將控制另一個粒子的性質。該研究基於同一小組在2017年對分子進行量子控制的研究，該研究將長期用於操縱原子的技術擴展到由分子提供的更複雜且可能更富有成果的場合，該場合由多個鍵合在一起的原子組成。
分子具有各種內部能級，例如原子，但也以許多不同的速度和角度旋轉和振動。因此，分子可以通過在每秒幾千到幾萬億個周期的寬範圍的量子位頻率之間轉換量子信息來充當量子系統中的介體。通過振動，分子可以提供更高的量子位頻率。
物理學家周進文表示：「我們證明了原子離子和分子離子之間存在糾纏，並且還顯示了分子中存在大量的量子位頻率選擇。」
量子位以兩個不同的量子狀態，例如原子中的低能級和高能級，表示數字數據位0和1。量子位也可以同時存在於兩個狀態的「疊加」中。研究人員將鈣原子離子的兩個能級與氫化鈣分子離子的兩個不同的旋轉狀態對纏結在一起，氫化鈣分子離子是結合到氫原子上的鈣離子。分子量子位的躍遷頻率（兩種旋轉狀態之間的循環速度）要麼是13.4千赫茲的低能量，要麼是每秒8550億赫茲的高能量。
周說：「分子提供了一系列的躍遷頻率，我們可以從多種類型的分子中進行選擇，因此，這是我們可以帶入量子信息科學的很大範圍的量子比特頻率。」 「我們正在利用自然界中所呈現的這種過渡，因此對每個人來說這樣的結果都會是相同的。」
實驗使用了具有不同強度、方向和脈衝序列的藍色和紅外雷射束的特定公式來冷卻、糾纏和測量離子的量子態。
首先，研究人員將這兩個離子捕獲並冷卻到最低能量狀態。這對離子由於彼此的物理距離和正電荷而互相排斥，並且排斥力就像是彈簧，阻止了它們的運動。雷射脈衝為分子的旋轉增加了能量，並形成了低能和高能旋轉狀態的疊加，這也引起了共同的運動，因此這兩個離子開始在同一方向上以相反的方向擺動。
因此，分子的旋轉與其運動糾纏在一起。更多的雷射脈衝利用了兩個離子的共享運動來將原子離子誘導成低能級和高能級的疊加。這樣，糾纏從運動轉移到包圍原子。研究人員通過在其上照射雷射並測量其螢光或散射的光量來確定原子離子的狀態。
研究人員通過兩組分子的旋轉特性驗證該技術，低能對量子位成功地實現了87％的糾纏，高能對成功地實現了76％的糾纏。在低能情況下，分子以兩個略微不同的角度旋轉，但同時處於兩種狀態。在高能情況下，分子以兩個速率同時旋轉，但速度相差很大。
在他們的2017年實驗中顯示的量子邏輯技術使這項新工作成為可能。研究人員施加了紅外雷射脈衝，以驅動該分子的100多種可能的旋轉狀態中的兩種之間切換。研究人員知道發生這種轉變是因為一定量的能量被添加到兩個離子的共享運動中。研究人員知道離子是根據原子離子發出的光信號糾纏在一起的。
新方法可用於由不同元素組成的各種分子離子，從而提供了多種量子位特性選擇。
該方法可以連接以不同頻率工作的不同類型的量子位，例如原子和超導系統或光粒子，包括電信和微波組件中的那些。除了在量子信息中的應用外，新技術還可用於製造量子傳感器或從事量子增強化學。