當前位置:首頁>科技> 首次!物理學家成功糾纏單個分子
發布時間:2025-10-22閱讀( 13)
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量子糾纏是量子力學中最奇妙的現象之一。當兩個或多個量子系統之間存在一種特殊的關聯時,我們就說它們是糾纏的。這意味著,即使我們把它們分開到很遠的地方,它們的狀態仍然是相互依賴的。換句話說,測量其中一個系統的狀態,就會影響另一個系統的狀態,而不管它們之間有多遠。
這種現象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”,他認為它是量子力學的不完備性的證據。但是,后來的實驗表明,量子糾纏是真實存在的,而且可以用于實現一些非常有趣的量子應用,比如量子通信、量子計算、量子模擬和量子增強的測量。 那么,我們如何制造量子糾纏呢?一種常見的方法是利用量子系統之間的相互作用,比如電磁相互作用。通過精心地控制這些相互作用的強度和時間,我們可以把量子系統從一個不糾纏的狀態轉換到一個糾纏的狀態,或者反過來。這就是所謂的量子門,它可以看作是量子邏輯運算的基本單元。如果我們能夠實現任意的量子門,那么我們就可以構建一個通用的量子計算機,它可以執行任何量子算法。 但是,實現量子門并不容易。我們需要找到一種合適的量子系統,它既要有足夠長的壽命,又要能夠被有效地操控和測量。此外,我們還需要找到一種合適的相互作用,它既要足夠強,又要足夠可控。這些要求對于原子來說是比較容易滿足的,因為原子有很多可以用來存儲和操作量子信息的內部態,而且可以用激光和磁場來控制它們。因此,原子已經被廣泛地用于實現量子門和量子糾纏,甚至可以制造出包含數百個原子的糾纏態。 但是,原子并不是唯一的選擇。分子也有很多有趣的性質,比如它們的振動和轉動態,以及它們的電偶極矩和磁偶極矩。這些性質可以用來編碼和處理量子信息,而且可以提供一些原子所沒有的功能,比如實現更強的相互作用、模擬更復雜的量子系統、探測更微弱的信號,甚至進行一些基礎物理學的測試。因此,分子也被認為是一個有前途的量子平臺,但是它們的實驗進展卻遠遠落后于原子。
為什么分子的量子控制這么難呢?主要的原因是分子的內部結構比原子復雜得多,這使得它們很難被冷卻到足夠低的溫度,以及被精確地操控和測量。不過,近年來,物理學家們已經取得了一些突破性的進展,比如利用激光來冷卻分子到亞毫開爾文的溫度,以及利用光鑷來捕獲和操作單個分子。這些技術為實現分子的量子門和量子糾纏提供了新的可能性。 最近,一篇論文報道了在一個可重構的光鑷陣列中實現了分子的量子糾纏。這是第一次在單個分子的水平上實現了確定性的量子糾纏。這項實驗使用了氟化鈣(CaF)分子,它是一種雙原子分子,具有一個永久的電偶極矩。這個電偶極矩可以用來表示一個量子比特,也就是量子信息的最小單元。通過用激光來調節分子的電偶極矩的方向,我們就可以實現對分子的量子態的操控。而且,當兩個分子靠得很近時,它們的電偶極矩之間就會產生一個相互作用,這個相互作用可以用來實現一個量子門,也就是把兩個分子從一個不糾纏的狀態轉換到一個糾纏的狀態。
這個實驗的關鍵技術是光鑷陣列,它是一種利用激光束來形成一系列的光學勢阱,可以用來捕獲和移動單個分子。通過改變激光束的位置和強度,我們就可以實現對分子的空間配置的可重構控制,比如把兩個分子靠近或者遠離,或者把一個分子從一個光鑷移動到另一個光鑷。這樣,我們就可以選擇任意的分子對,來實現它們之間的量子門和量子糾纏。 |
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