【儀表網 儀表研發】中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰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，首次制備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，并且通過定量表征手段，確定產生的量子糾纏超過臨界閾值。這項成果對于未來考慮使用分子進行量子信息處理有重要推動作用。
 

　　美國陸軍研究實驗室傳感器與電子設備局物理學家Qudsia Quraishi博士指出，下一代精確傳感系統涉及量子傳感器，量子傳感器基于激光冷卻原子，極可能大幅提升系統性能。激光冷卻原子是小型相干氣體原子，可以測量重力場或磁場變化，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。因此分子可以處于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，用于匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統，實現復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，有利于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。當兩個粒子處于糾纏態，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。
 

　　分子中正負電荷中心不重合，從整個分子來看，電荷的分布是不均勻的，不對稱的，這樣的分子為極性分子，以極性鍵結合的雙原子分子一定為極性分子，極性鍵結合的多原子分子視結構情況而定如CH4就不是極性分子。
 

　　最近國內外對于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，使用激光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于基態，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――前者處于軌道的激發態，對應分子處于高轉動能量的狀態。相反的激發配對也可以制備。這里基態和激發態可以存儲量子信息，類似二進制的“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)，分別使用激光脈沖定量演示與原子產生糾纏。
 

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

　　除軌道離子阱外，離子阱使用電磁場將離子限定在特定的空間內，通過改變電場的參數，使特定的離子進入不穩定狀態，最終導致離子從預留的孔或窄縫中射出到達檢測器。除軌道離子阱，離子阱質量選擇器因為其特有的空間限定特點，使其在多級質譜分析(MS-MS)中占據了重要的地位。
 

　　這里使用的激光調控技術包含多個波長(顏色)的激光，包括紫外和多個紅外波段，用于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。這里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；使用紅外的激光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)，并且冷卻他們的運動到接近量子的極限。
 

　　繼而使用激光制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，再通過一系列復雜的激光脈沖序列，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。最后，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范圍在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范圍內遠高出這個閾值，表明糾纏態的產生。