物理學(xué)家越來(lái)越多地使用超冷分子來(lái)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(例如捕獲離子、原子或光子)具有優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)點(diǎn)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，由于在量子體系中制備、控制和觀察分子方面長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)，分子系統(tǒng)的研究暫時(shí)只取得了進(jìn)展。

現(xiàn)在，正如《自然》雜志最近發(fā)表的一篇論文所記載的那樣，普林斯頓大學(xué)的研究人員通過(guò)微觀研究分子氣體取得了重大突破，達(dá)到了以前研究從未達(dá)到的水平。由物理學(xué)副教授WaseemBakr領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒎肿永鋮s至超冷溫度，將它們加載到稱(chēng)??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。

“我們將氣體中的分子制備成明確的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)量子態(tài)。分子之間的強(qiáng)烈相互作用產(chǎn)生了我們首次檢測(cè)到的微妙的量子相關(guān)性，”Bakr說(shuō)。

該實(shí)驗(yàn)對(duì)基礎(chǔ)物理研究具有深遠(yuǎn)的影響，例如多體物理學(xué)的研究，它著眼于相互作用的量子粒子系綜的涌現(xiàn)行為。該研究還可能加速大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

為了構(gòu)建大規(guī)模量子系統(tǒng)，無(wú)論是為了量子計(jì)算還是為了更一般的科學(xué)應(yīng)用，研究人員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)化為所謂的量子位，這是量子計(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(呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng))，并且可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以解決的問(wèn)題。

盡管到目前為止還沒(méi)有任何一種類(lèi)型的量子位成為領(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)探索得較少，但具有特殊的前景。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用分子(尤其是作為潛在的量子位)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，分子可以以單個(gè)原子無(wú)法使用的大量新方式存儲(chǔ)量子信息。例如，即使對(duì)于僅由兩個(gè)原子組成的簡(jiǎn)單分子(可以將其可視化為一個(gè)小啞鈴)，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(duì)于彼此的振動(dòng)中。分子的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們通常具有長(zhǎng)程相互作用。它們可以與光學(xué)晶格中許多位點(diǎn)之外的其他分子相互作用，而原子只有在占據(jù)相同位點(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(shì)有望使研究人員能夠在這些合成系統(tǒng)中探索令人著迷的新物質(zhì)量子相。然而，貝克爾和他的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中能夠克服的一個(gè)主要問(wèn)題是這些量子態(tài)的微觀表征。

“在單個(gè)分子水平上探測(cè)氣體的能力是我們研究的新穎之處，”巴克爾說(shuō)。“當(dāng)你能夠觀察單個(gè)分子時(shí)，你可以提取有關(guān)多體系統(tǒng)的更多信息。”

Bakr所謂的提取更多信息，是指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?cè)诰Ц裰械奈恢没蛐D(zhuǎn)狀態(tài)的相關(guān)性。

“研究人員之前已經(jīng)在超冷狀態(tài)下制備了分子，但他們無(wú)法測(cè)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JasonRosenberg說(shuō)。紙。“通過(guò)觀察每個(gè)單獨(dú)的分子，我們可以真正表征和探索預(yù)期出現(xiàn)的不同量子相。”

雖然研究人員利用原子量子氣體研究多體物理已經(jīng)有二十多年了，但分子量子氣體卻更難駕馭。與原子不同，分子可以通過(guò)以多種不同方式振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)能量。這些不同的激發(fā)被稱(chēng)為“自由度”——它們的豐富度是使分子難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)控制和操縱的特征。

“為了研究量子狀態(tài)下的分子，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)，”巴克爾說(shuō)。

研究人員首先將鈉和銣兩種原子氣體冷卻到以納開(kāi)爾文(納開(kāi)爾文)或十億分之一開(kāi)氏度為單位測(cè)量的令人難以置信的低溫，從而實(shí)現(xiàn)了這種精確的控制水平。在這些超冷溫度下，兩種氣體都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N稱(chēng)為玻色-愛(ài)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)原子配對(duì)成處于明確定義的內(nèi)部量子態(tài)的鈉銣分子。然后他們使用激光將分子轉(zhuǎn)移到絕對(duì)基態(tài)，其中分子的所有旋轉(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光駐波組成的光學(xué)晶格中。

羅森伯格說(shuō)：“我們將一組激光束干涉在一起，從而創(chuàng)造出一個(gè)類(lèi)似于‘雞蛋盒’的波紋狀景觀，分子位于其中。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在這個(gè)“雞蛋盒”晶格中捕獲了大約一百個(gè)分子。然后研究人員使系統(tǒng)失去平衡，并追蹤強(qiáng)相互作用系統(tǒng)中發(fā)生的情況。

“我們突然‘推動(dòng)’了這個(gè)系統(tǒng)，”該論文的共同主要作者、研究生萊桑德·克里斯塔基斯(LysanderChristakis)說(shuō)。“我們?cè)试S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，而在微觀層面上探測(cè)系統(tǒng)的能力使我們能夠揭示這些相關(guān)性并了解它們。”