物理學家越來越多地使用超冷分子來研究物質的量子態(tài)。許多研究人員認為，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)將在新興量子技術中發(fā)揮重要作用。但是，一段時間以來，對分子系統(tǒng)的研究只取得了進展，因為在量子體系中準備、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》雜志上的一項研究所記錄的那樣，普林斯頓大學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到過的。由物理學副教授Waseem Bakr領導的普林斯頓大學團隊能夠將分子冷卻到超冷的溫度，將它們加載到稱為光學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單獨的分子。

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

這個實驗對基礎物理研究具有深遠的意義，例如多體物理學的研究，它著眼于相互作用的量子粒子集合的涌現(xiàn)行為。這項研究還可能加速大規(guī)模量子計算機系統(tǒng)的發(fā)展。

在尋求構建大規(guī)模量子系統(tǒng)的過程中，無論是用于量子計算還是更一般的科學應用，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”中的電子。

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

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

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

例如，即使對于僅由兩個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在啞鈴的旋轉運動或其組成原子相對于彼此的晃動中。分子的另一個優(yōu)點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)同一位點時才能相互作用。

當使用分子研究多體物理學時，這些優(yōu)勢有望使研究人員能夠在這些合成系統(tǒng)中探索物質的迷人新量子相。然而，Bakr和他的團隊在這個實驗中能夠克服的一個主要問題是這些量子態(tài)的微觀表征。

“在單個分子水平上探測氣體的能力是我們研究的新方面，”Bakr說。“當你能夠查看單個分子時，你可以提取更多關于多體系統(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)分子的微妙相關性 - 例如，它們在晶格中的位置或旋轉狀態(tài)的相關性。

“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性，因為他們看不到單個分子，”普林斯頓大學物理系研究生，該論文的共同主要作者Jason Rosenberg說。“通過觀察每個單獨的分子，我們可以真正表征和探索預期會出現(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和旋轉來儲存能量。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驗控制和操縱的特征。

“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變?yōu)橐环N稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的物質狀態(tài)。在這種超冷環(huán)境中，研究人員誘導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移到它們的絕對基態(tài)，在那里分子的所有旋轉和振動都被凍結。

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。

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

“我們突然給了這個系統(tǒng)一個'推動'，”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性中，在這個微觀層面上探測系統(tǒng)的能力使我們能夠揭示這些相關性 - 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，它們都變得密不可分。糾纏在量子計算中尤其重要，因為它充當一種計算乘法器。它是解決量子計算機問題指數(shù)加速的關鍵因素。

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算具有明顯的影響。但研究人員強調，最終，實驗不一定是關于創(chuàng)建最先進的量子比特。相反，最重要的是，這是基礎物理研究向前邁出的一大步。

“這項研究為研究多體物理學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完整的平臺，用于使用超冷分子作為研究復雜量子現(xiàn)象的系統(tǒng)。

羅森伯格對此表示贊同。“在這個實驗中，分子被凍結在晶格上的單個位點，量子信息僅存儲在分子的旋轉狀態(tài)中。展望未來，探索另一個有趣的現(xiàn)象領域將是令人興奮的，當你允許分子從一個站點“跳躍”到另一個站點時，這些現(xiàn)象會出現(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，“他總結道。

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