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”也刷屏頂級學術期刊。

5月7日，24歲的曹原繼兩年前在《自然》（Nature）雜志連發兩篇文章后，再度實現“兩連發”；5月1日，27歲的王武翟關于邊緣超電流的文章發表于《科學》（Science）；5月14日，22歲的季珠潤關于光的軌道角動量的文章發表于《科學》（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，他們都畢業于中國科學技術大學。作為“后浪”的發源地，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歲的中國科學技術大學教授林毅恒與美國國家標準技術研究所（NIST）合作實現了原子和分子的量子糾纏，相關成果發表于《自然》（Nature）雜志。2005年，林毅恒進入中國科學技術大學，畢業后，先后于美國科羅拉多大學博爾德分校、NIST學習、研究，在量子信息領域完成了多項有影響力的工作。2018年，他回歸中國科學技術大學，這篇研究成果，得益于海外的學習、積累，也得益于中國科學技術大學寬松的科研氛圍、優秀的學術交流條件。

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

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的分子，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，分子譜線十分復雜，分子的轉動、振動等模式非常豐富，能級差所對應的頻率從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，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、轉動等不同的自由度，這些自由度，既是科學家調控的手段，又是科學家需要測量的對象。

首先，科學家們將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，這種聯合的振動就像一個橋梁，把分子的轉動態和原子的軌道態聯系在一起。

在實驗中，科學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。這些激光就像魔術師的手，讓原子和分子如我們期望的那樣在不同的狀態上翻轉。

科學家將原子離子的狀態鎖定在軌道態的S態上，將分子離子的轉動狀態制備到-3/2態上，這時候，聯合振動量子數為0。接下來，科學家的目標是使兩個粒子的狀態糾纏起來，要達到一個什么效果呢？就是，當原子的軌道狀態是S時，分子的轉動狀態是-3/2；當原子的軌道狀態是D時，分子的轉動狀態是-5/2。

怎么做到這一點呢？關鍵時刻，還是剛才說的聯合振動和神奇的激光發揮了作用。

利用一個叫作π/2的脈沖激光，起到一個相干操作的效果——把一個低激發態的粒子激發到低激發態和高激發態的疊加態。而在這個實驗里，就是把分子離子從轉動態-3/2激發到-3/2和-5/2的疊加態。相應地，-3/2對應振動態為0，-5/2對應振動態為1。

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

既然是聯合振動，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，完全可以認為當分子轉動態處于-3/2時，對應原子振動態為0，軌道態為S，當分子轉動態處于-5/2時，對應原子振動態為1，軌道態為S。最后，再利用激光選擇，把振動態為1，軌道態為S的原子躍遷至振動態為0，軌道態為D。這樣，就造成了當分子轉動態處于-3/2時，對應原子軌道態為S，當分子轉動態處于-5/2時，對應原子軌道態為D。此時的聯合振動態是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，就是當分子轉動態處于-3/2時，原子軌道態為S態，當分子轉動態處于-5/2時，原子軌道態為D態。為了度量實際情況和這種理想狀態的接近程度，科學界構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動態處于-3/2或-5/2，這兩種分子狀態只是轉動角度稍微不同，能量僅僅相差13.4kHz——我們叫它低能對量子比特；一種是分子的轉動量子數處于0或2，代表著分子以兩種速度旋轉，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，實現復雜的量子系統。（量子沙龍供稿）

美麗的中國科學技術大學校園