中國科學家首次製備出單原子和單分子之間的量子糾纏態

記者從中國科學技術大學獲悉，該校杜江峰院士團隊與合作者合作，首次製備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，並且通過定量表徵手段，確定產生的量子糾纏超過臨界閾值。研究成果日前線上發表在《自然》上。

目前有多種體系可用於探索實現量子傳感和量子資訊處理。其中，分子作為多個原子組成的系統，原子集團可以轉動和發生振動，由此帶來獨特的屬性。因此分子可以處於能量跨度相當大的不同量子狀態，狀態之間能量差別所對應的頻率可以從接近零一直到達數百THz（每秒百萬億次）的光學頻率，因此分子可以作為媒介，用於匹配和溝通頻率迥異的不同量子系統，實現複合的量子體系和資訊處理平台。另外，極性分子之間可以產生長程的相互作用，有利於實現新型的量子資訊處理平台，這樣的關聯屬性在量子計算和一些量子精密測量中有重要應用。

研究人員通過在離子阱體系束縛帶電的鈣原子和氫化鈣分子，使用雷射調控製備出他們之間的糾纏態。當鈣離子的電子軌道狀態處於基態，分子的轉動也在低轉動能量狀態的一種整體狀態；同時可以「疊加」截然不同的另一種整體態——前者處於軌道的激發態，對應分子處於高轉動能量的狀態。相反的激發配對也可以製備。基態和激發態可以存儲量子資訊，類似二進制的「0」和「1」，即量子比特。最後，通過觀察不同情況下原子和分子協同的狀態關聯，可以整合所有資訊成一個範圍在0到1之間的值，超過0.5的閾值即表示糾纏態的出現。實驗中測得的數值在誤差範圍內遠高出這個閾值，表明糾纏態的產生。

這項成果對於未來考慮使用分子進行量子資訊處理有重要推動作用。（記者 吳長鋒）