科學家開發(fā)量子科學實驗平臺，在光鑷陣列中精準操縱分子，有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統(tǒng)

以優(yōu)秀畢業(yè)生從中國科學技術(shù)大學理科試驗班本科畢業(yè)，逯與凱在到美國普林斯頓大學讀博后不久，就為自己設(shè)立了兩個目標：看到分子間的相互作用以及為光鑷中的分子降溫。

如今是他讀博的第 6 年，不僅在博士階段完成了這兩個目標，還以共同第一作者的身份，在 2 個月內(nèi)先后將相關(guān)論文發(fā)布在 Science 和 Nature Physics[1,2]。

圖丨逯與凱（來源：逯與凱）

逯與凱所在的普林斯頓大學團隊為分子量子模擬和計算，提供了一個全新的量子科學實驗平臺。首次使用可重構(gòu)光鑷陣列實現(xiàn)分子糾纏，這對推動利用分子研究量子科學具有重要的意義。

研究人員通過在光學鑷子陣列中操縱分子，使其達到糾纏狀態(tài)。利用這種可重構(gòu)光鑷陣列可以根據(jù)需要重新排列和操作分子，從而實現(xiàn)分子的按需糾纏。

光學鑷子陣列的可重構(gòu)性，使分子的操作和控制變得更加靈活和精確，利用分子作為量子比特能夠提供更多的可能性。

圖丨用于冷卻、控制和糾纏單個分子的激光裝置（來源：普林斯頓大學）

該平臺有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統(tǒng)。同時，由于分子的結(jié)構(gòu)具有豐富的量子自由度，該技術(shù)還可擴展到其他分子實驗，例如精密測量和超冷化學。

在精密測量領(lǐng)域，分子對于某些超出標準模型的新物理較為敏感，通過測量分子的某些性質(zhì)可能會看到一些新物理所導致的結(jié)果。利用分子糾纏，有望提高測量的靈敏度。

逯與凱指出，該技術(shù)還可以用于研究量子態(tài)分辨的化學反應(yīng)，探究量子糾纏在化學反應(yīng)中的角色，并利用糾纏探測化學反應(yīng)。

有望用于處理量子信息或模擬量子多體系統(tǒng)

21 世紀初，分子被科學家提出可作為新的量子平臺，從冷卻技術(shù)到分子的操控技術(shù)一直在不斷地發(fā)展。

糾纏對很多量子應(yīng)用至關(guān)重要，在過去的 20 多年，很多不同的量子平臺涌現(xiàn)出來并應(yīng)用在量子模擬、量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感等方向，各種系統(tǒng)包括離子、超導量子比特、中性原子、核磁共振以及固體中的各種色心等。

對于量子平臺來說，實現(xiàn)粒子間的糾纏是非常重要的一步。而通往糾纏的“必經(jīng)之路”，是需要看到分子間的相干相互作用并實現(xiàn)雙量子比特門。盡管分子間相互作用已被觀測到，但當時的實驗并不具備單分子的操控能力，無法確定性地產(chǎn)生和測量兩分子間的糾纏。

為解決這些問題，該課題組搭建了一個用分子進行量子科學研究的實驗平臺，能夠確定地將兩分子制備到目標初態(tài)上，并利用相互作用制備糾纏。

圖丨可重構(gòu)光鑷陣列中的激光冷卻分子（來源：Science）

具體來說，研究人員將一束脈沖激光打到鈣固體上，同時通進六氟化硫（SF6）氣體，從而產(chǎn)生單氟化鈣（CaF）分子。

他們讓處于 4 開爾文的氦氣分子（He）和 CaF 分子碰撞，將分子預(yù)冷卻到 4 開爾文?！拔覀兿扔眉す鈱⒎肿訙p速至近似于完全靜止，然后用磁光阱技術(shù)將這些分子抓住?！卞峙c凱說道。

但是，需要了解的是，光鑷大小僅 1 微米左右，而分子磁光阱的局限性在于它能抓住的分子數(shù)少、尺寸大、溫度高，因此直接從磁光阱里抓分子并不可行。基于此，研究人員采取一系列步驟降低分子的溫度和提高分子的密度[3]。

該課題組利用亞多普勒冷卻技術(shù)，在自由空間將分子冷卻到 10 微開爾文左右。逯與凱表示：“該溫度相當于絕對零度的十萬分之一。然后，將分子轉(zhuǎn)移到比磁光阱更小、但比光鑷更大的光偶極阱?！?/span>

圖丨鑷子重排和內(nèi)部狀態(tài)初始化（來源：Science）

在該研究中，研究人員通過熒光成像確認分子的具體位置，對其進行精準操控，最高排出 23 個分子的一維無缺陷陣列。實驗中將分子兩兩配對后排出 6 對，進行雙分子間相互作用的研究。

實際上，該團隊在單分子的成像技術(shù)上，被“卡”了很久?！拔业谝淮胃惺艿矫鎸ξ粗臒o力，我們?nèi)缑と嗣蟀阋稽c點接近答案，走得異常緩慢還很容易迷失方向。”

經(jīng)過幾個月的嘗試，他們在更加深入地理解了成像過程和 CaF 分子后，測量了一些分子的性質(zhì)[4]，并在偶然的一次實驗中發(fā)現(xiàn)很關(guān)鍵的一束光，最終實現(xiàn)了分子的高保真度探測和成像。

在對分子內(nèi)態(tài)的控制中，由于分子的結(jié)構(gòu)復雜，導致一開始分子在很多不同的能態(tài)上分布。但是，研究人員想將它簡化成兩能級系統(tǒng)。“后來，我們通過用光泵浦和微波轉(zhuǎn)移的方法，把分子放置到這兩能級系統(tǒng)中的一個?！卞峙c凱說。

圖丨單粒子相干性和自旋交換振蕩（來源：Science）

從量子門角度，可利用自旋交換相互作用實現(xiàn)雙比特門從而制備分子糾纏，該研究則利用 iSWAP 門完成糾纏。

首先是對單比特的操控，包括實現(xiàn)單比特門和探索退相干機制。在此基礎(chǔ)上，研究人員通過動力學解耦的方法將分子相干時間延長到 220ms。

在具備足夠長單比特相干時間的前提下，探究兩分子的相干相互作用。逯與凱指出，由于光鑷陣列具有易調(diào)控的優(yōu)勢，通過改變分子間的距離，看到了相互作用隨距離的變化。

再選取恰當?shù)臅r間，實現(xiàn)由自旋交換作用產(chǎn)生的 iSWAP 門，配合單比特門將一開始處于可分態(tài)的分子制備到貝爾態(tài)，并測量了保真度和壽命，經(jīng)過初態(tài)制備和測量糾正的保真度達到 86.3%。

“與之前的技術(shù)難點相比，后來的探索顯得異常順利。我們很快看到了分子間的相干相互作用和制備了貝爾態(tài)，在技術(shù)上被‘卡’了這么久終于苦盡甘來了?！卞峙c凱回憶道。

圖丨相關(guān)論文（來源：Science）

最終，相關(guān)論文以《可重構(gòu)光鑷陣列中分子的按需糾纏》（On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array）為題發(fā)表在 Science 上[1]。

普林斯頓大學博士研究生康納·M·霍蘭（Connor M. Holland）和逯與凱為論文共同第一作者，普林斯頓大學勞倫斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）助理教授為論文通訊作者。

據(jù)了解，在上述論文發(fā)表的同一天，哈佛大學團隊也在 Science 發(fā)表了單分子作為量子比特的相關(guān)論文[5]。兩項重要成果的同期發(fā)步，預(yù)示著分子作為一個新平臺正在蓬勃發(fā)展。

利用拉曼邊帶冷卻實現(xiàn)對分子的三維冷卻

在分子的量子糾纏研究中[1]，研究人員發(fā)現(xiàn)分子的溫度是限制兩分子相互作用相干性和貝爾態(tài)保真度的關(guān)鍵因素，需要對光鑷中的分子進一步冷卻?；诖耍肿油獠窟\動自由度的降溫成為他們致力于攻克的重點。

于是，該課題組提出了一種利用拉曼邊帶冷卻（Raman sideband cooling，RSC）技術(shù)，來冷卻光學鑷子陣列中分子的方法[2]。助力解決分子冷卻和控制的關(guān)鍵問題，以實現(xiàn)更精確的量子操作。

RSC 是一種能夠?qū)⒑喼C振子冷卻到運動基態(tài)的技術(shù)?！按饲埃m然 RSC 技術(shù)在離子和光鑷囚禁的中性原子等其他體系已被實現(xiàn)，但據(jù)我所知這是首次用于分子的冷卻?！卞峙c凱表示。

圖丨拉曼邊帶冷卻方案（來源：Nature Physics）

從對分子的全量子控制層面，可以將分子的自由度劃分為三部分：位型、內(nèi)態(tài)和外部運動。

此前，研究人員在制備糾纏實驗中展示了對位型和內(nèi)態(tài)兩種自由度的控制。具體來說，位型可通過對分子進行非破壞性探測以及用光鑷移動分子來控制，內(nèi)態(tài)則利用光泵浦和微波進行控制。

該研究在保證對位型和內(nèi)態(tài)兩種自由度控制不受影響的前提下，實現(xiàn)了對分子外部運動的三維冷卻。

通過應(yīng)用 RSC，研究人員有效減少了光學鑷子中分子的熱運動，并將其冷卻到更低的溫度。在調(diào)節(jié)激光光束的參數(shù)后，他們能夠操縱和控制光學鑷子中的分子運動，從而為實現(xiàn)對分子的全量子操控奠定基礎(chǔ)。

通過 RSC 和光學鑷子陣列的結(jié)合，研究人員為分子量子計算和量子調(diào)控提供了新的實現(xiàn)方案和工具。

逯與凱表示：“我們從原理上證明了分子的 RSC，目前已找到限制冷卻效果的因素，正在升級系統(tǒng)，希望未來能夠達到接近于運動基態(tài)的溫度?！?/span>

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Physics）

近日，相關(guān)論文以《光鑷陣列中分子的拉曼邊帶冷卻》（Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array）為題發(fā)表在 Nature Physics 上[2]。

普林斯頓大學博士研究生逯與凱、塞繆爾·J·李（Samuel J. Li）和康納·M·霍蘭（Connor M. Holland）為論文共同第一作者，勞倫斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）教授為論文通訊作者。

接下來，研究人員將繼續(xù)探索超冷分子在量子模擬和量子信息處理上的潛力，進一步提高對單分子的操控能力，包括提升初態(tài)制備和全局單比特門的保真度、加入初步的局域單分子操控等。

“在此基礎(chǔ)上，我們還將嘗試尋找系統(tǒng)中的各種噪聲，從而進一步增長相干時間，并計劃用分子來探索研究量子多體系統(tǒng)的動力學行為，這也是我們認為分子作為量子模擬平臺最獨特的優(yōu)勢?！卞峙c凱說道。