物理學(xué)家越來越多地使用超冷分子來研究物質(zhì)的量子態(tài)。許多研究人員認(rèn)為，分子比其他替代品具有優(yōu)勢，例如捕獲離子，原子或光子。這些優(yōu)勢表明，分子系統(tǒng)將在新興量子技術(shù)中發(fā)揮重要作用。但是，一段時(shí)間以來，對分子系統(tǒng)的研究只取得了進(jìn)展，因?yàn)樵诹孔芋w系中準(zhǔn)備、控制和觀察分子的長期挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在，正如本周發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究所記錄的那樣，普林斯頓大學(xué)的研究人員通過顯微鏡研究分子氣體取得了重大突破，其水平是以前的研究從未達(dá)到過的。由物理學(xué)副教授Waseem Bakr領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒎肿永鋮s到超冷的溫度，將它們加載到稱為光學(xué)晶格的人造光晶體中，并以高空間分辨率研究它們的集體量子行為，以便可以觀察到每個(gè)單獨(dú)的分子。

“我們以明確的內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)量子態(tài)制備了氣體中的分子。分子之間的強(qiáng)烈相互作用產(chǎn)生了微妙的量子相關(guān)性，我們第一次能夠檢測到，“Bakr說。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)對基礎(chǔ)物理研究具有深遠(yuǎn)的意義，例如多體物理學(xué)的研究，它著眼于相互作用的量子粒子集合的涌現(xiàn)行為。這項(xiàng)研究還可能加速大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展。

在尋求構(gòu)建大規(guī)模量子系統(tǒng)的過程中，無論是用于量子計(jì)算還是更一般的科學(xué)應(yīng)用，研究人員都使用了各種不同的替代方案——從捕獲的離子和原子到限制在“量子點(diǎn)”中的電子。

目標(biāo)是將這些不同的替代方案轉(zhuǎn)換為所謂的量子比特，量子比特是量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)建塊。量子計(jì)算機(jī)比經(jīng)典計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有更大的計(jì)算能力和容量 - 指數(shù)級增長，并且可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問題。

盡管到目前為止還沒有單一類型的量子比特成為領(lǐng)跑者，但Bakr和他的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，分子系統(tǒng)雖然比其他平臺(tái)探索得更少，但具有特別的前景。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用分子的一個(gè)重要優(yōu)勢 - 特別是作為潛在的量子比特 - 是分子可以以單個(gè)原子無法獲得的大量新方式存儲(chǔ)量子信息。

例如，即使對于僅由兩個(gè)原子組成的簡單分子，可以可視化為微小的啞鈴，量子信息也可以存儲(chǔ)在啞鈴的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或其組成原子相對于彼此的晃動(dòng)中。分子的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們通常具有長程相互作用;它們可以與光晶格中許多位點(diǎn)以外的其他分子相互作用，而原子，例如，只有在它們占據(jù)同一位點(diǎn)時(shí)才能相互作用。

當(dāng)使用分子研究多體物理學(xué)時(shí)，這些優(yōu)勢有望使研究人員能夠在這些合成系統(tǒng)中探索物質(zhì)的迷人新量子相。然而，Bakr和他的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中能夠克服的一個(gè)主要問題是這些量子態(tài)的微觀表征。

“在單個(gè)分子水平上探測氣體的能力是我們研究的新方面，”Bakr說。“當(dāng)你能夠查看單個(gè)分子時(shí)，你可以提取更多關(guān)于多體系統(tǒng)的信息。

Bakr提取更多信息的意思是能夠觀察和記錄表征量子態(tài)分子的微妙相關(guān)性 - 例如，它們在晶格中的位置或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的相關(guān)性。

“研究人員以前在超冷狀態(tài)下制備了分子，但他們無法測量它們的相關(guān)性，因?yàn)樗麄兛床坏絾蝹€(gè)分子，”普林斯頓大學(xué)物理系研究生，該論文的共同主要作者Jason Rosenberg說。“通過觀察每個(gè)單獨(dú)的分子，我們可以真正表征和探索預(yù)期會(huì)出現(xiàn)的不同量子相。

雖然研究人員已經(jīng)用原子量子氣體研究多體物理學(xué)二十多年了，但分子量子氣體更難馴服。與原子不同，分子可以通過以許多不同的方式振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來儲(chǔ)存能量。這些不同的激發(fā)被稱為“自由度”，它們的豐度是使分子難以通過實(shí)驗(yàn)控制和操縱的特征。

“為了研究量子體系中的分子，我們需要控制它們的所有自由度，并將它們置于明確定義的量子力學(xué)狀態(tài)，”Bakr說。

研究人員通過首先將鈉和銣的兩種原子氣體冷卻到以納米開爾文或十億分之一開爾文度測量的令人難以置信的低溫來實(shí)現(xiàn)這種精確的控制水平。在這些超冷的溫度下，兩種氣體中的每一種都轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)。在這種超冷環(huán)境中，研究人員誘導(dǎo)原子以明確定義的內(nèi)部量子態(tài)配對成鈉 - 銣分子。然后他們使用激光將分子轉(zhuǎn)移到它們的絕對基態(tài)，在那里分子的所有旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)都被凍結(jié)。

為了保持分子的量子行為，它們被隔離在真空室中，并保持在由駐波制成的光晶格中。

“我們將一組激光束干擾在一起，由此，我們創(chuàng)造了一個(gè)類似于'雞蛋紙盒'的波紋狀景觀，分子位于其中，”羅森伯格說。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在這個(gè)“雞蛋紙盒”格子中捕獲了大約一百個(gè)分子。然后，研究人員將系統(tǒng)推離平衡，并跟蹤了強(qiáng)相互作用系統(tǒng)中發(fā)生的事情。

“我們突然給了這個(gè)系統(tǒng)一個(gè)'推動(dòng)'，”研究生、該論文的共同主要作者萊桑德·克里斯塔基斯(Lysander Christakis)說。“我們允許分子相互作用并建立量子糾纏。這種糾纏反映在微妙的相關(guān)性中，在這個(gè)微觀層面上探測系統(tǒng)的能力使我們能夠揭示這些相關(guān)性 - 并了解它們。

糾纏是多體量子態(tài)最迷人和最令人困惑的性質(zhì)之一。它描述了亞原子世界的一種特性，其中量子元素——無論是分子、電子、光子還是其他任何東西——無論它們之間的距離有多遠(yuǎn)，它們都變得密不可分。糾纏在量子計(jì)算中尤其重要，因?yàn)樗洚?dāng)一種計(jì)算乘法器。它是解決量子計(jì)算機(jī)問題指數(shù)加速的關(guān)鍵因素。

研究人員在制備和檢測分子方面取得的無與倫比的控制對量子計(jì)算具有明顯的影響。但研究人員強(qiáng)調(diào)，最終，實(shí)驗(yàn)不一定是關(guān)于創(chuàng)建最先進(jìn)的量子比特。相反，最重要的是，這是基礎(chǔ)物理研究向前邁出的一大步。

“這項(xiàng)研究為研究多體物理學(xué)中真正有趣的問題開辟了很多可能性，”克里斯塔基斯說。“我們在這里展示的是一個(gè)完整的平臺(tái)，用于使用超冷分子作為研究復(fù)雜量子現(xiàn)象的系統(tǒng)。

羅森伯格對此表示贊同。“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，分子被凍結(jié)在晶格上的單個(gè)位點(diǎn)，量子信息僅存儲(chǔ)在分子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中。展望未來，探索另一個(gè)有趣的現(xiàn)象領(lǐng)域?qū)⑹橇钊伺d奮的，當(dāng)你允許分子從一個(gè)站點(diǎn)“跳躍”到另一個(gè)站點(diǎn)時(shí)，這些現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)。我們的研究為研究可以用這些分子制備的更奇特的物質(zhì)狀態(tài)打開了大門，現(xiàn)在我們可以很好地表征它們，“他總結(jié)道。

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