科學(xué)家開(kāi)發(fā)量子科學(xué)實(shí)驗平臺，在光鑷陣列中精準操縱分子，有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統

以?xún)?yōu)秀畢業(yè)生從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理科試驗班本科畢業(yè)，逯與凱在到美國普林斯頓大學(xué)讀博后不久，就為自己設立了兩個(gè)目標：看到分子間的相互作用以及為光鑷中的分子降溫。

如今是他讀博的第 6 年，不僅在博士階段完成了這兩個(gè)目標，還以共同第一作者的身份，在 2 個(gè)月內先后將相關(guān)論文發(fā)布在 Science 和 Nature Physics[1,2]。

圖丨逯與凱（來(lái)源：逯與凱）

逯與凱所在的普林斯頓大學(xué)團隊為分子量子模擬和計算，提供了一個(gè)全新的量子科學(xué)實(shí)驗平臺。首次使用可重構光鑷陣列實(shí)現分子糾纏，這對推動(dòng)利用分子研究量子科學(xué)具有重要的意義。

研究人員通過(guò)在光學(xué)鑷子陣列中操縱分子，使其達到糾纏狀態(tài)。利用這種可重構光鑷陣列可以根據需要重新排列和操作分子，從而實(shí)現分子的按需糾纏。

光學(xué)鑷子陣列的可重構性，使分子的操作和控制變得更加靈活和精確，利用分子作為量子比特能夠提供更多的可能性。

圖丨用于冷卻、控制和糾纏單個(gè)分子的激光裝置（來(lái)源：普林斯頓大學(xué)）

該平臺有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統。同時(shí)，由于分子的結構具有豐富的量子自由度，該技術(shù)還可擴展到其他分子實(shí)驗，例如精密測量和超冷化學(xué)。

在精密測量領(lǐng)域，分子對于某些超出標準模型的新物理較為敏感，通過(guò)測量分子的某些性質(zhì)可能會(huì )看到一些新物理所導致的結果。利用分子糾纏，有望提高測量的靈敏度。

逯與凱指出，該技術(shù)還可以用于研究量子態(tài)分辨的化學(xué)反應，探究量子糾纏在化學(xué)反應中的角色，并利用糾纏探測化學(xué)反應。

有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統

21 世紀初，分子被科學(xué)家提出可作為新的量子平臺，從冷卻技術(shù)到分子的操控技術(shù)一直在不斷地發(fā)展。

糾纏對很多量子應用至關(guān)重要，在過(guò)去的 20 多年，很多不同的量子平臺涌現出來(lái)并應用在量子模擬、量子計算、量子網(wǎng)絡(luò )和量子傳感等方向，各種系統包括離子、超導量子比特、中性原子、核磁共振以及固體中的各種色心等。

對于量子平臺來(lái)說(shuō)，實(shí)現粒子間的糾纏是非常重要的一步。而通往糾纏的“必經(jīng)之路”，是需要看到分子間的相干相互作用并實(shí)現雙量子比特門(mén)。盡管分子間相互作用已被觀(guān)測到，但當時(shí)的實(shí)驗并不具備單分子的操控能力，無(wú)法確定性地產(chǎn)生和測量?jì)煞肿娱g的糾纏。

為解決這些問(wèn)題，該課題組搭建了一個(gè)用分子進(jìn)行量子科學(xué)研究的實(shí)驗平臺，能夠確定地將兩分子制備到目標初態(tài)上，并利用相互作用制備糾纏。

圖丨可重構光鑷陣列中的激光冷卻分子（來(lái)源：Science）

具體來(lái)說(shuō)，研究人員將一束脈沖激光打到鈣固體上，同時(shí)通進(jìn)六氟化硫（SF6）氣體，從而產(chǎn)生單氟化鈣（CaF）分子。

他們讓處于 4 開(kāi)爾文的氦氣分子（He）和 CaF 分子碰撞，將分子預冷卻到 4 開(kāi)爾文?！拔覀兿扔眉す鈱⒎肿訙p速至近似于完全靜止，然后用磁光阱技術(shù)將這些分子抓住?！卞峙c凱說(shuō)道。

但是，需要了解的是，光鑷大小僅 1 微米左右，而分子磁光阱的局限性在于它能抓住的分子數少、尺寸大、溫度高，因此直接從磁光阱里抓分子并不可行?；诖?，研究人員采取一系列步驟降低分子的溫度和提高分子的密度[3]。

該課題組利用亞多普勒冷卻技術(shù)，在自由空間將分子冷卻到 10 微開(kāi)爾文左右。逯與凱表示：“該溫度相當于絕對零度的十萬(wàn)分之一。然后，將分子轉移到比磁光阱更小、但比光鑷更大的光偶極阱?！?/span>

圖丨鑷子重排和內部狀態(tài)初始化（來(lái)源：Science）

在該研究中，研究人員通過(guò)熒光成像確認分子的具體位置，對其進(jìn)行精準操控，最高排出 23 個(gè)分子的一維無(wú)缺陷陣列。實(shí)驗中將分子兩兩配對后排出 6 對，進(jìn)行雙分子間相互作用的研究。

實(shí)際上，該團隊在單分子的成像技術(shù)上，被“卡”了很久?！拔业谝淮胃惺艿矫鎸ξ粗臒o(wú)力，我們如盲人摸象般一點(diǎn)點(diǎn)接近答案，走得異常緩慢還很容易迷失方向?！?/span>

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的嘗試，他們在更加深入地理解了成像過(guò)程和 CaF 分子后，測量了一些分子的性質(zhì)[4]，并在偶然的一次實(shí)驗中發(fā)現很關(guān)鍵的一束光，最終實(shí)現了分子的高保真度探測和成像。

在對分子內態(tài)的控制中，由于分子的結構復雜，導致一開(kāi)始分子在很多不同的能態(tài)上分布。但是，研究人員想將它簡(jiǎn)化成兩能級系統?！昂髞?lái)，我們通過(guò)用光泵浦和微波轉移的方法，把分子放置到這兩能級系統中的一個(gè)?！卞峙c凱說(shuō)。

圖丨單粒子相干性和自旋交換振蕩（來(lái)源：Science）

從量子門(mén)角度，可利用自旋交換相互作用實(shí)現雙比特門(mén)從而制備分子糾纏，該研究則利用 iSWAP 門(mén)完成糾纏。

首先是對單比特的操控，包括實(shí)現單比特門(mén)和探索退相干機制。在此基礎上，研究人員通過(guò)動(dòng)力學(xué)解耦的方法將分子相干時(shí)間延長(cháng)到 220ms。

在具備足夠長(cháng)單比特相干時(shí)間的前提下，探究?jì)煞肿拥南喔上嗷プ饔?。逯與凱指出，由于光鑷陣列具有易調控的優(yōu)勢，通過(guò)改變分子間的距離，看到了相互作用隨距離的變化。

再選取恰當的時(shí)間，實(shí)現由自旋交換作用產(chǎn)生的 iSWAP 門(mén)，配合單比特門(mén)將一開(kāi)始處于可分態(tài)的分子制備到貝爾態(tài)，并測量了保真度和壽命，經(jīng)過(guò)初態(tài)制備和測量糾正的保真度達到 86.3%。

“與之前的技術(shù)難點(diǎn)相比，后來(lái)的探索顯得異常順利。我們很快看到了分子間的相干相互作用和制備了貝爾態(tài)，在技術(shù)上被‘卡’了這么久終于苦盡甘來(lái)了?！卞峙c凱回憶道。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science）

最終，相關(guān)論文以《可重構光鑷陣列中分子的按需糾纏》（On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array）為題發(fā)表在 Science 上[1]。

普林斯頓大學(xué)博士研究生康納·M·霍蘭（Connor M. Holland）和逯與凱為論文共同第一作者，普林斯頓大學(xué)勞倫斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）助理教授為論文通訊作者。

據了解，在上述論文發(fā)表的同一天，哈佛大學(xué)團隊也在 Science 發(fā)表了單分子作為量子比特的相關(guān)論文[5]。兩項重要成果的同期發(fā)步，預示著(zhù)分子作為一個(gè)新平臺正在蓬勃發(fā)展。

利用拉曼邊帶冷卻實(shí)現對分子的三維冷卻

在分子的量子糾纏研究中[1]，研究人員發(fā)現分子的溫度是限制兩分子相互作用相干性和貝爾態(tài)保真度的關(guān)鍵因素，需要對光鑷中的分子進(jìn)一步冷卻?；诖?，分子外部運動(dòng)自由度的降溫成為他們致力于攻克的重點(diǎn)。

于是，該課題組提出了一種利用拉曼邊帶冷卻（Raman sideband cooling，RSC）技術(shù)，來(lái)冷卻光學(xué)鑷子陣列中分子的方法[2]。助力解決分子冷卻和控制的關(guān)鍵問(wèn)題，以實(shí)現更精確的量子操作。

RSC 是一種能夠將簡(jiǎn)諧振子冷卻到運動(dòng)基態(tài)的技術(shù)?！按饲?，雖然 RSC 技術(shù)在離子和光鑷囚禁的中性原子等其他體系已被實(shí)現，但據我所知這是首次用于分子的冷卻?！卞峙c凱表示。

圖丨拉曼邊帶冷卻方案（來(lái)源：Nature Physics）

從對分子的全量子控制層面，可以將分子的自由度劃分為三部分：位型、內態(tài)和外部運動(dòng)。

此前，研究人員在制備糾纏實(shí)驗中展示了對位型和內態(tài)兩種自由度的控制。具體來(lái)說(shuō)，位型可通過(guò)對分子進(jìn)行非破壞性探測以及用光鑷移動(dòng)分子來(lái)控制，內態(tài)則利用光泵浦和微波進(jìn)行控制。

該研究在保證對位型和內態(tài)兩種自由度控制不受影響的前提下，實(shí)現了對分子外部運動(dòng)的三維冷卻。

通過(guò)應用 RSC，研究人員有效減少了光學(xué)鑷子中分子的熱運動(dòng)，并將其冷卻到更低的溫度。在調節激光光束的參數后，他們能夠操縱和控制光學(xué)鑷子中的分子運動(dòng)，從而為實(shí)現對分子的全量子操控奠定基礎。

通過(guò) RSC 和光學(xué)鑷子陣列的結合，研究人員為分子量子計算和量子調控提供了新的實(shí)現方案和工具。

逯與凱表示：“我們從原理上證明了分子的 RSC，目前已找到限制冷卻效果的因素，正在升級系統，希望未來(lái)能夠達到接近于運動(dòng)基態(tài)的溫度?！?/span>

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Physics）

近日，相關(guān)論文以《光鑷陣列中分子的拉曼邊帶冷卻》（Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array）為題發(fā)表在 Nature Physics 上[2]。

普林斯頓大學(xué)博士研究生逯與凱、塞繆爾·J·李（Samuel J. Li）和康納·M·霍蘭（Connor M. Holland）為論文共同第一作者，勞倫斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）教授為論文通訊作者。

接下來(lái)，研究人員將繼續探索超冷分子在量子模擬和量子信息處理上的潛力，進(jìn)一步提高對單分子的操控能力，包括提升初態(tài)制備和全局單比特門(mén)的保真度、加入初步的局域單分子操控等。

“在此基礎上，我們還將嘗試尋找系統中的各種噪聲，從而進(jìn)一步增長(cháng)相干時(shí)間，并計劃用分子來(lái)探索研究量子多體系統的動(dòng)力學(xué)行為，這也是我們認為分子作為量子模擬平臺最獨特的優(yōu)勢?！卞峙c凱說(shuō)道。