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中美实现分子、原子之间量子纠缠，继续拓展量子信息技术应用边界


传统的信息处理器会将信息在不同物理载体中倒腾 ， 这些载体可以是伴随计算机科学一路走来的各种存储设备 ， 例如磁盘、光盘以及闪存等等 。
同样的 ， 量子信息技术也涉及信息在不同载体之间的操作 。 只不过承载量子信息的载体就有些不同了 ， 科学家们通常采用量子系统承载信息 ， 而量子系统的不同量子态就是信息的最终表达方式 。
最简单的量子系统是一个量子比特（qubit） ， 一般有两个状态——“0” 和 “1” ， 但是不同于经典数位状态只编码两种信息 ， 一个二状态量子比特实际上可在任何时间为两个状态的叠加态 ， 也就是说可以编码很多信息 ， 而这也是量子比特能够承载更多信息的缘由 。
就最新的发展来看 ， 由单原子和单分子构成的复合型量子纠缠系统已经诞生 ， 对未来考虑使用分子进行量子信息处理产生推动作用 。
这项工作的论文在线发表于学术期刊 Nature 上 ， 由中美科学家联合完成 ， 题为 “Quantum entanglement between an atom and a molecule” 。 论文第一作者与通讯作者、中国科学技术大学物理学院近代物理系教授林毅恒 ， 曾师从 2012 年诺贝尔物理奖得主 David Wineland 教授 ， 并于美国国家标准技术研究所担任访问研究员 。
中美实现分子、原子之间量子纠缠，继续拓展量子信息技术应用边界
本文插图
（来源：Nature）
首次原子和分子之间的量子纠缠
文中不但介绍了迄今为止最小的量子系统——单原子量子比特和单分子量子比特的制作 ， 并介绍了如何在其中建立量子纠缠 。 最终实验检测的结果显示 ， 该系统的量子纠缠可靠性已经超过阈值 ， 着实让人眼前一亮 。
以单原子和单分子作为量子系统 ， 其实存在很大难度和风险 ， 更别说还要在其中建立高可靠性的量子纠缠了 。
那研究团队为何还想要采用这样的量子系统？
原因在于 ， 若采用单原子或单分子作为量子系统 ， 能够在其中进行高频率范围的信息编码 ， 其量子比特频率的范围能从几千赫兹到几百太赫兹 。
物理层上来说 ， 单原子或者单分子量子比特呈现的频率与其量子态的跃迁（transition）有关 。 在高中物理课本上的氢原子光谱是氢原子内的电子在不同能级跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱 ， 根据频率与波长的公式我们不难算出 ， 其频率在几百太赫兹的范围 。
中美实现分子、原子之间量子纠缠，继续拓展量子信息技术应用边界
本文插图
（来源：Nature）
也就是说 ， 仅仅靠单原子的跃迁谱线并不足以拓展量子比特的频率范围 。
研究团队别出心裁地将单分子的震动和转动自由度加入 “战局” ， 具体来说将引入 “超精细跃迁”（ hyperfine transitions ， 几个 G 赫兹）， “转动跃迁”（rotational transitions ， 几个太赫兹）以及 “分子中电子振动跃迁”（vibrational and electronic transitions ， 几百个太赫兹） ， 成功将量子比特的频率范围变宽 。
他们采用 Ca + 离子和 CaH + 离子作成量子比特 ， 并在 Ca + 离子的量子态和 CaH + 离子转动跃迁之间建立量子纠缠 。 这就形成了一个复合的量子纠缠系统 ， 除了有广阔量子比特频率范围的优点之外 ， 还能在量子纠缠的两侧得到不同的量子比特频率 ， 也就是存在两侧信号不一样的性质 ， 从而为制造特殊的量子器件和量子传感器提供可能 。
举个最简单的例子 ， 我们熟悉的三极管或者放大器就是拥有输入输出端信号幅值不同这样的性质 ， 并且有着十分广泛的应用 ， 同理 ， 传感器的原理也是将声、光、热、力等信号转化成为电信号 。
量子信息技术新方向
量子纠缠建立的本质就是建立两个量子系统之间的联系 ， 而单原子和单分子之间应该如何建立联系？


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