分子與原子的糾纏

文/林梅

5月，《后浪》視頻刷屏朋友圈；5月，“后浪”也刷屏頂級學(xué)術(shù)期刊。

5月7日，24歲的曹原繼兩年前在《自然》（Nature）雜志連發(fā)兩篇文章后，再度實現(xiàn)“兩連發(fā)”；5月1日，27歲的王武翟關(guān)于邊緣超電流的文章發(fā)表于《科學(xué)》（Science）；5月14日，22歲的季珠潤關(guān)于光的軌道角動量的文章發(fā)表于《科學(xué)》（Science）；5月14日，90后劉駿秋、何吉駿參與的激光雷達工作成為《自然》（Nature）雜志封面，兩項后續(xù)工作也相繼被《自然》（Nature）雜志接收……

這些“后浪”有一個共同點，他們都畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。作為“后浪”的發(fā)源地，不僅用廣闊的胸懷接納后浪，還讓“后浪”奔涌得更加激烈。

5月20日，33歲的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授林毅恒與美國國家標準技術(shù)研究所（NIST）合作實現(xiàn)了原子和分子的量子糾纏，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。2005年，林毅恒進入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，畢業(yè)后，先后于美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校、NIST學(xué)習(xí)、研究，在量子信息領(lǐng)域完成了多項有影響力的工作。2018年，他回歸中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，這篇研究成果，得益于海外的學(xué)習(xí)、積累，也得益于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)寬松的科研氛圍、優(yōu)秀的學(xué)術(shù)交流條件。

盡管“糾纏”這種鬼魅般相互作用的相關(guān)研究成果常有報道，但科學(xué)家們至今難以弄清糾纏的本質(zhì)。我們只能看到，一旦兩個微觀粒子發(fā)生糾纏，哪怕相距遙遠，也能產(chǎn)生某種狀態(tài)上的關(guān)聯(lián)。利用這種關(guān)聯(lián)，人們可以完成很多神乎其技的任務(wù)。

但是，之前報道過的糾纏實驗，多是基于光子、電子、原子體系，特別是光子體系，糾纏起來非常容易，借由特殊的晶體，就可以產(chǎn)生一對糾纏光子。

可是別忘了，微觀世界還有一種粒子——這就是我們從小耳熟能詳?shù)姆肿?，分子可以糾纏嗎？帶著這個問題，我們請到了中科院微觀磁共振重點實驗室的林毅恒教授回答。

分子糾纏的魅力

對于“分子可否產(chǎn)生糾纏”的問題，林教授給予了肯定的回答。他介紹道，分子譜線十分復(fù)雜，分子的轉(zhuǎn)動、振動等模式非常豐富，能級差所對應(yīng)的頻率從1kHz到幾百THz，這使得分子的糾纏有很大的難度。但這也意味著，如果我們可以控制好分子的糾纏，就可以跟很多復(fù)雜的量子體系進行匹配，開展更廣泛的工作。分子的糾纏一直是這個研究領(lǐng)域的目標。而且，對于極性分子來說，還有一個特點——對電場敏感。利用這一點，我們可以將分子與微波光子系統(tǒng)，懸臂梁振子等體系進行相互作用，更好地進行控制。

給粒子拍CT

“想知道一個人的健康狀況，往往要借助CT的手段，從各個角度進行拍攝。我們要想對分子和原子進行調(diào)控和測量，也得從不同維度入手?！绷纸淌谶@樣比喻。

在這里，所謂的分子和原子的不同維度指的就是軌道角動量、振動、轉(zhuǎn)動等不同的自由度，這些自由度，既是科學(xué)家調(diào)控的手段，又是科學(xué)家需要測量的對象。

首先，科學(xué)家們將Ca2+原子離子和CaH+分子離子捕獲在離子阱里。由于兩種離子的質(zhì)量相差無幾，又都帶電，所以在庫倫力作用下，它們像被彈簧連在一起，共同振動，這種聯(lián)合的振動就像一個橋梁，把分子的轉(zhuǎn)動態(tài)和原子的軌道態(tài)聯(lián)系在一起。

在實驗中，科學(xué)家們還有一個重要的武器——各種顏色、強度、方向和脈沖序列的激光。這些激光就像魔術(shù)師的手，讓原子和分子如我們期望的那樣在不同的狀態(tài)上翻轉(zhuǎn)。

科學(xué)家將原子離子的狀態(tài)鎖定在軌道態(tài)的S態(tài)上，將分子離子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)制備到-3/2態(tài)上，這時候，聯(lián)合振動量子數(shù)為0。接下來，科學(xué)家的目標是使兩個粒子的狀態(tài)糾纏起來，要達到一個什么效果呢？就是，當(dāng)原子的軌道狀態(tài)是S時，分子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)是-3/2；當(dāng)原子的軌道狀態(tài)是D時，分子的轉(zhuǎn)動狀態(tài)是-5/2。

怎么做到這一點呢？關(guān)鍵時刻，還是剛才說的聯(lián)合振動和神奇的激光發(fā)揮了作用。

利用一個叫作π/2的脈沖激光，起到一個相干操作的效果——把一個低激發(fā)態(tài)的粒子激發(fā)到低激發(fā)態(tài)和高激發(fā)態(tài)的疊加態(tài)。而在這個實驗里，就是把分子離子從轉(zhuǎn)動態(tài)-3/2激發(fā)到-3/2和-5/2的疊加態(tài)。相應(yīng)地，-3/2對應(yīng)振動態(tài)為0，-5/2對應(yīng)振動態(tài)為1。

可是，這也僅僅是改變了分子離子的狀態(tài)，并沒有讓分子和原子糾纏起來啊。別著急，這時候聯(lián)合振動開始發(fā)揮作用了。

既然是聯(lián)合振動，那就說明振動既是分子的，也是原子的。如果我們把目光放在原子身上，完全可以認為當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-3/2時，對應(yīng)原子振動態(tài)為0，軌道態(tài)為S，當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-5/2時，對應(yīng)原子振動態(tài)為1，軌道態(tài)為S。最后，再利用激光選擇，把振動態(tài)為1，軌道態(tài)為S的原子躍遷至振動態(tài)為0，軌道態(tài)為D。這樣，就造成了當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-3/2時，對應(yīng)原子軌道態(tài)為S，當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-5/2時，對應(yīng)原子軌道態(tài)為D。此時的聯(lián)合振動態(tài)是0，作為橋梁，完成了糾纏的使命。

糾纏的觀測

進行過上面的操作，原子和分子是不是真的糾纏了呢？如果真的糾纏，我們希望看到的最理想狀況，就是當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-3/2時，原子軌道態(tài)為S態(tài)，當(dāng)分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-5/2時，原子軌道態(tài)為D態(tài)。為了度量實際情況和這種理想狀態(tài)的接近程度，科學(xué)界構(gòu)建了一個叫作保真度的指標。只要這個保真度大于0.5，就可以肯定糾纏的存在。

林毅恒老師以及NIST合作者的實驗分別對兩種情況進行了保真度的測量：一種是前文提到的分子轉(zhuǎn)動態(tài)處于-3/2或-5/2，這兩種分子狀態(tài)只是轉(zhuǎn)動角度稍微不同，能量僅僅相差13.4kHz——我們叫它低能對量子比特；一種是分子的轉(zhuǎn)動量子數(shù)處于0或2，代表著分子以兩種速度旋轉(zhuǎn)，速度相差很大，能量相差了855GHz——我們叫它高能對量子比特。這兩種情況下，保真度分別達到了87%和76%。完美地展示了原子和分子之間糾纏的存在。

可以看到，從kHz到GHz，分子具有非常寬泛的量子比特頻率，作為中介者，它提供了一種更加廣泛的選擇。不論是在量子信息系統(tǒng)中，還在量子精密測量中，它都有望可以和很多不同頻率的量子體系相匹配，實現(xiàn)復(fù)雜的量子系統(tǒng)。（量子沙龍供稿）

美麗的中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)校園