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单分子量子纠缠首次实现

2023.12.11

　　美国两个科研团队在7日出版的《科学》杂志上分别刊文称，他们首次让单个的分子处于量子纠缠状态。在这种奇怪的状态下，分子之间即使相距遥远也能同时相互关联、相互作用。研究团队指出，这项研究为很多应用奠定了基础，包括构建更好的量子计算机、量子模拟器和传感器等。

　　实现可控的量子纠缠面临诸多挑战，此前科学家从未让单个分子发生量子纠缠。研究人员指出，与原子相比，分子具有更多量子自由度，可以新方式相互作用，这使它们特别适合用于某些量子信息处理和复杂材料的量子模拟。但分子非常复杂，自由度难以把控，因此让单个分子发生量子纠缠极为困难。

　　在最新研究中，普林斯顿大学物理学助理教授劳伦斯·丘克等人选择了一种具有极性的分子，用激光将其冷却到超低温，然后使用一套激光束系统“光镊”撷取单个分子，由此可以创建由一个一个的分子组成的阵列，如孤立的分子对和无缺陷的分子串。

　　接下来，他们将量子比特编码为分子的非旋转和旋转状态，并证明这些分子量子比特仍然相干（叠加）。另外，他们使用一系列微波脉冲，使单个的分子以相干方式相互纠缠，并让这种纠缠持续了一定时间，实现了两个纠缠分子的双量子比特门，后者是通用数字量子计算和复杂材料模拟的基石。哈佛大学科学家开展的类似实验也证明了这一点。

　　研究团队指出，这种分子阵列有望成为很多量子研究领域的新平台，如模拟量子多体系统以发现材料的新磁性等。

　　量子信息技术是目前炙手可热的前沿科学领域，相关研究进展层出不穷。多个量子比特的相干操纵和纠缠态制备，是发展可扩展量子信息技术，特别是量子计算的最核心指标。量子计算实现的必要条件包括可扩展、可初始化、长相干等。其中，可扩展性即增加量子比特数目，可实现大规模量子计算；而长相干时间即量子态保持量子相干，能用于逻辑运算。此前，科学家已实现多个光量子比特超纠缠态的实验制备，让单个分子处于量子纠缠状态，有望为量子信息技术研究带来新启发。

单分子量子纠缠

科技日报

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