中科大33岁教授再发《自然》：实现原子与分子间的量子纠缠

在激光控制下，被困在电磁场陷阱中的一个分子离子和一个原子离子出现了神奇的纠缠效应。

5月20日，发表在世界顶级学术期刊《自然》上的一篇论文报告了这种在分子层面上的量子控制能力。由于分子比特频率可以在宽范围内选择，论文相信，类似机制可以用作混合量子信息系统中的“转换器”，正如经典计算机需要兼容处理器、光盘、硬盘驱动器等不同属性的物理载体，以进行信息处理、存储或传输。

量子纠缠是爱因斯坦口中“鬼魅般的远距作用”，处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行测量），另一个的状态会瞬时发生相应改变。

让光子纠缠起来比较简单，只要把光子打到特殊的晶体材料上，它就会变成一对纠缠光子。如果其中一个光子的自旋方向是“朝上”的话，那与之纠缠的另一个光子的自旋方向一定是“朝下”的。

而光子和原子之间会发生相互作用，原子吸收或失去光子后能级会升高或降低，可以利用这种相互作用使得光子和原子纠缠起来，甚至通过一个光子的连续相互作用将多个原子纠缠起来。

在实际操作中，要对原子实现如此精确的操控和测量，关键还是把原子固定住，减少它的振动。虽然科学家们梦寐以求的“一动不动”的原子目前不可能实现，但他们想出了很多有效的方法让原子“冷静”下来。例如，用电磁场囚禁住失去一个电子后带正电的原子离子，再用激光施加阻力。

类似的冷原子技术已经在原子钟和量子计算领域取得了很多应用。而分子是由多个原子以不同姿态组成的，结构更为复杂，更难控制。分子像原子一样有不同的能级，可以不同的角度和速度旋转、振动，因此也有包含更多维度的信息，能否在分子上实现类似的玩法呢？

2017年，美国标准技术研究所（NIST）捕获了两个相距几百万分之一的钙离子。氢气泄漏到真空室中，直到一个钙离子和一个氢原子结合形成氢化钙分子离子。接着，研究人员使用激光来冷却原子离子，用红外激光脉冲调制以驱动分子在超过100种可能旋转状态中，实现特定两种之间的转换，就像二极管表达“0”或“1”。

这次的论文是上述“量子逻辑光谱学”技术的延伸，用一组不同强度、方向和脉冲序列的蓝色和红外激光对分子离子进行冷却、纠缠和状态读取。

实验设计

同样，先是捕获两个离子，因正电互斥，构成弹簧一般的动态锁定。通过激光增加能量，分子在低能和高能旋转态上叠加，引发两个离子共同摆动。分子的状态与这种运动形成纠缠。

最后，再用激光诱发原子离子的高低能态叠加，就将氢化钙离子（CaH+）的两组转动态和转而与钙离子的两个能级纠缠起来。

钙离子和氢化钙离子（CaH+）的能级转换

在该实验中，分子比特可以从低频状态（13.4千赫兹）转换到高频状态（8.55万亿亿赫兹）。

研究团队相信，用不同元素组成不同分子，就可以实现更大范围的分子比特属性选择，在量子信息科学、量子传感器、量子化学等领域有应用潜力。

该论文的第一作者兼通讯作者为中国科学技术大学物理学院教授林毅恒。另外三位作者David R. Leibrandt、Dietrich Leibfried 和 Chin-wen Chou来自NIST时间与频率部。

NIST研究人员Chin-wen Chou在调试激光

公开资料显示，林毅恒1986年12月生于广东，2009年自中科大本科毕业后前往美国科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder，师从诺贝尔物理奖得主戴维·瓦恩兰（David Wineland），2015年获得博士学位。2010年至2015年同时在NIST担任助理研究员。

林毅恒

瓦恩兰在提高光谱测量精度上做出了巨大的贡献，极大推动了实现更高精度原子钟技术的发展和与原子量子态操控技术的发展。瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们，因此在2012年被授予诺奖。

此前，林毅恒已经参与9篇《物理评论快报》（PRL）、2篇《自然》、1篇《科学》论文。不过，以第一作者身份发表《自然》论文，尚属首次。