分子与原子的纠缠

文/林梅

5月，《后浪》视频刷屏朋友圈；5月，“后浪”也刷屏顶级学术期刊。

5月7日，24岁的曹原继两年前在《自然》（Nature）杂志连发两篇文章后，再度实现“两连发”；5月1日，27岁的王武翟关于边缘超电流的文章发表于《科学》（Science）；5月14日，22岁的季珠润关于光的轨道角动量的文章发表于《科学》（Science）；5月14日，90后刘骏秋、何吉骏参与的激光雷达工作成为《自然》（Nature）杂志封面，两项后续工作也相继被《自然》（Nature）杂志接收……

这些“后浪”有一个共同点，他们都毕业于中国科学技术大学。作为“后浪”的发源地，不仅用广阔的胸怀接纳后浪，还让“后浪”奔涌得更加激烈。

5月20日，33岁的中国科学技术大学教授林毅恒与美国国家标准技术研究所（NIST）合作实现了原子和分子的量子纠缠，相关成果发表于《自然》（Nature）杂志。2005年，林毅恒进入中国科学技术大学，毕业后，先后于美国科罗拉多大学博尔德分校、NIST学习、研究，在量子信息领域完成了多项有影响力的工作。2018年，他回归中国科学技术大学，这篇研究成果，得益于海外的学习、积累，也得益于中国科学技术大学宽松的科研氛围、优秀的学术交流条件。

尽管“纠缠”这种鬼魅般相互作用的相关研究成果常有报道，但科学家们至今难以弄清纠缠的本质。我们只能看到，一旦两个微观粒子发生纠缠，哪怕相距遥远，也能产生某种状态上的关联。利用这种关联，人们可以完成很多神乎其技的任务。

但是，之前报道过的纠缠实验，多是基于光子、电子、原子体系，特别是光子体系，纠缠起来非常容易，借由特殊的晶体，就可以产生一对纠缠光子。

可是别忘了，微观世界还有一种粒子——这就是我们从小耳熟能详的分子，分子可以纠缠吗？带着这个问题，我们请到了中科院微观磁共振重点实验室的林毅恒教授回答。

分子纠缠的魅力

对于“分子可否产生纠缠”的问题，林教授给予了肯定的回答。他介绍道，分子谱线十分复杂，分子的转动、振动等模式非常丰富，能级差所对应的频率从1kHz到几百THz，这使得分子的纠缠有很大的难度。但这也意味着，如果我们可以控制好分子的纠缠，就可以跟很多复杂的量子体系进行匹配，开展更广泛的工作。分子的纠缠一直是这个研究领域的目标。而且，对于极性分子来说，还有一个特点——对电场敏感。利用这一点，我们可以将分子与微波光子系统，悬臂梁振子等体系进行相互作用，更好地进行控制。

给粒子拍CT

“想知道一个人的健康状况，往往要借助CT的手段，从各个角度进行拍摄。我们要想对分子和原子进行调控和测量，也得从不同维度入手。”林教授这样比喻。

在这里，所谓的分子和原子的不同维度指的就是轨道角动量、振动、转动等不同的自由度，这些自由度，既是科学家调控的手段，又是科学家需要测量的对象。

首先，科学家们将Ca2+原子离子和CaH+分子离子捕获在离子阱里。由于两种离子的质量相差无几，又都带电，所以在库伦力作用下，它们像被弹簧连在一起，共同振动，这种联合的振动就像一个桥梁，把分子的转动态和原子的轨道态联系在一起。

在实验中，科学家们还有一个重要的武器——各种颜色、强度、方向和脉冲序列的激光。这些激光就像魔术师的手，让原子和分子如我们期望的那样在不同的状态上翻转。

科学家将原子离子的状态锁定在轨道态的S态上，将分子离子的转动状态制备到-3/2态上，这时候，联合振动量子数为0。接下来，科学家的目标是使两个粒子的状态纠缠起来，要达到一个什么效果呢？就是，当原子的轨道状态是S时，分子的转动状态是-3/2；当原子的轨道状态是D时，分子的转动状态是-5/2。

怎么做到这一点呢？关键时刻，还是刚才说的联合振动和神奇的激光发挥了作用。

利用一个叫作π/2的脉冲激光，起到一个相干操作的效果——把一个低激发态的粒子激发到低激发态和高激发态的叠加态。而在这个实验里，就是把分子离子从转动态-3/2激发到-3/2和-5/2的叠加态。相应地，-3/2对应振动态为0，-5/2对应振动态为1。

可是，这也仅仅是改变了分子离子的状态，并没有让分子和原子纠缠起来啊。别着急，这时候联合振动开始发挥作用了。

既然是联合振动，那就说明振动既是分子的，也是原子的。如果我们把目光放在原子身上，完全可以认为当分子转动态处于-3/2时，对应原子振动态为0，轨道态为S，当分子转动态处于-5/2时，对应原子振动态为1，轨道态为S。最后，再利用激光选择，把振动态为1，轨道态为S的原子跃迁至振动态为0，轨道态为D。这样，就造成了当分子转动态处于-3/2时，对应原子轨道态为S，当分子转动态处于-5/2时，对应原子轨道态为D。此时的联合振动态是0，作为桥梁，完成了纠缠的使命。

纠缠的观测

进行过上面的操作，原子和分子是不是真的纠缠了呢？如果真的纠缠，我们希望看到的最理想状况，就是当分子转动态处于-3/2时，原子轨道态为S态，当分子转动态处于-5/2时，原子轨道态为D态。为了度量实际情况和这种理想状态的接近程度，科学界构建了一个叫作保真度的指标。只要这个保真度大于0.5，就可以肯定纠缠的存在。

林毅恒老师以及NIST合作者的实验分别对两种情况进行了保真度的测量：一种是前文提到的分子转动态处于-3/2或-5/2，这两种分子状态只是转动角度稍微不同，能量仅仅相差13.4kHz——我们叫它低能对量子比特；一种是分子的转动量子数处于0或2，代表着分子以两种速度旋转，速度相差很大，能量相差了855GHz——我们叫它高能对量子比特。这两种情况下，保真度分别达到了87%和76%。完美地展示了原子和分子之间纠缠的存在。

可以看到，从kHz到GHz，分子具有非常宽泛的量子比特频率，作为中介者，它提供了一种更加广泛的选择。不论是在量子信息系统中，还在量子精密测量中，它都有望可以和很多不同频率的量子体系相匹配，实现复杂的量子系统。（量子沙龙供稿）

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