操縱和控制單個分子的量子狀態(tài)的能力，是進(jìn)行量子科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。該領(lǐng)域隨著光鑷等技術(shù)的開發(fā)取得了重大突破，最近發(fā)表在PRX Quantum上題為“使用光鑷陣列增強(qiáng)對單個超冷分子的量子控制”的研究展示了該領(lǐng)域的重大進(jìn)展。

光鑷是一種非侵入性技術(shù)，利用激光束中的光子動量來捕獲和操縱微觀物體。通過緊密聚焦激光束，研究人員可以創(chuàng)建一個高強(qiáng)度區(qū)域，對附近的物體施加足夠的力將其固定在原地。該技術(shù)徹底改變了包括生物學(xué)在內(nèi)的各個領(lǐng)域，在那里它允許在沒有物理接觸的情況下操縱單個細(xì)胞和生物分子。在量子科學(xué)領(lǐng)域，光鑷為捕獲和控制單個原子和分子提供了強(qiáng)大的工具。

與原子相比，分子具有豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種復(fù)雜性源于構(gòu)成原子在分子內(nèi)可以占據(jù)的各種振動和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。此外，極性分子表現(xiàn)出永久的電偶極矩，導(dǎo)致它們之間存在很強(qiáng)的相互作用。分子的這些獨特特性在量子信息處理、量子模擬和超冷化學(xué)等應(yīng)用中具有巨大的潛力。然而，有效地利用這些能力需要對分子的個體量子狀態(tài)進(jìn)行精確控制。

新研究在實現(xiàn)對單個超冷分子的增強(qiáng)量子控制方面取得了重大突破。研究人員使用了光學(xué)鑷子陣列，實質(zhì)上創(chuàng)造了一個能夠隔離多個分子的激光陷阱網(wǎng)格。這種方法有幾個優(yōu)點。首先，它允許對單個分子進(jìn)行限制，防止可能破壞其量子態(tài)的相互作用。其次，通過精確控制激光束，研究人員可以操縱被困分子在陣列中的位置。摘自: www.ws46.com

實驗從超冷的銣 (Rb) 和銫 (Cs) 原子云開始，使用激光和磁場的組合，研究人員誘導(dǎo)這些原子之間的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致RbCs分子的形成。在分子形成后，研究人員使用全局微波輻射來操縱 RbCs 分子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對應(yīng)于分子繞其內(nèi)部軸旋轉(zhuǎn)的不同方式，每個狀態(tài)都具有不同的能級。

一項關(guān)鍵創(chuàng)新是使用輔助光鑷陣列。這個額外的陣列允許研究人員在主陣列內(nèi)尋址單個分子。通過操縱輔助鑷子，他們可以選擇性地與特定分子交互，從而實現(xiàn)狀態(tài)特定控制。

為了驗證分子的狀態(tài)，研究人員采用了一種聰明的技術(shù)，將旋轉(zhuǎn)狀態(tài)映射到分子中Rb原子的位置上。這使他們能夠在一次實驗中“讀出”多個分子的狀態(tài)。此外，使用鑷子在陷阱內(nèi)移動分子的能力使研究人員能夠重新排列它們，從而創(chuàng)建適合進(jìn)一步研究的無缺陷陣列。

實驗的成功在于這些技術(shù)的結(jié)合：通過有效地形成 RbCs 分子、操縱其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)并實現(xiàn)站點解析尋址，他們?yōu)榭刂茊蝹€超冷分子建立了強(qiáng)大的工具箱。這種增強(qiáng)控制為量子科學(xué)的各個領(lǐng)域打開了令人興奮的途徑。

潛在的應(yīng)用之一在于量子信息處理。通過將信息編碼到單個分子的量子狀態(tài)中，研究人員可以構(gòu)建魯棒的量子比特，它是量子計算機(jī)的基本構(gòu)建塊，以高保真度操縱這些量子比特對于執(zhí)行復(fù)雜的量子計算至關(guān)重要。

此外，RbCs 分子的偶極矩之間受控的相互作用可用于量子模擬。通過調(diào)整光鑷陣列內(nèi)分子之間的相互作用，研究人員可以創(chuàng)建模擬復(fù)雜現(xiàn)實世界現(xiàn)象的人工系統(tǒng)，例如強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料或奇異物質(zhì)相。這種模擬復(fù)雜量子系統(tǒng)的能力可能會導(dǎo)致凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和其他領(lǐng)域取得突破。