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又一里程碑！单个分子首次用作量子比特！
量子纠缠是支撑量子计算技术的效应之一。
刚刚，物理学家迈出了利用被称为光镊的激光设备捕获住的单个分子构建量子计算机的第一步。12月7日，两个研究小组在《科学》（Science）杂志上报告了他们的研究成果，在这两篇论文中，研究小组都使一对单氟化钙分子相互作用，从而产生纠缠——这是量子计算的一个关键效应。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
20世纪90年代末，量子计算基本原理的一些首次演示使用了在核磁共振机器内的溶液中操纵大量分子。从那时起，研究人员又开发了其他各种量子计算平台，包括超导电路和在真空中保持的单个离子。这些物体中的每一个都被用作量子信息的基本单位，即量子比特（qubit）：相当于经典计算机中的量子比特。
在过去几年中，出现了另一种强有力的竞争者，其中的量子比特是由中性原子（而不是离子）制成的，用高度集中的激光束“镊子”捕获住。
现在，两个不同的研究小组在利用分子而不是原子来实现这种方法方面取得了初步进展。其中一篇论文的共同作者、新泽西州普林斯顿大学物理学家劳伦斯·卓（Lawrence Cheuk）说：“分子具有更高的复杂性，这意味着它们既能提供新的量子信息编码方式，也能提供新的相互作用方式。这为处理量子信息提供了前所未有的方法。”
这两项研究都使用了光学镊子阵列，每个镊子中都捕获有一个分子。通过激光技术，他们将分子冷却到数十微开尔文的温度：仅为绝对零度的百万分之一。
在这种状态下，分子接近完全静止。它们的旋转可以停止，也可以使它们仅以一个量子的旋转动量（称为ħ）旋转，这是它们可能具有的最小旋转速度。两个团队都用不旋转的分子来代表其量子比特的“0”状态，用旋转的分子来代表“1”状态。
一氟化钙具有很强的极性，其电子所带的负电荷聚集在氟原子上，使分子的钙端带有净正电荷。研究人员可以通过“感受”两个一氟化钙分子的正负极来诱导它们相互作用。
“分子的双极相互作用为我们提供了一个额外的调谐旋钮。”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家约翰·多伊尔（John Doyle）如此表示，他是另一篇论文的共同作者。
通过这种方式，研究小组能够证明这些分子发生了纠缠，这意味着它们形成了一个集体量子系统——这是量子计算机运行算法所必需的。
研究人员表示，就大多数应用而言，分子量子计算机的速度将比使用其他类型量子比特的计算机慢。分子具有某些优势（例如相对于原子），这使得它们特别适合量子信息处理和复杂材料的量子模拟中的某些应用。例如，与原子相比，分子具有更多的量子自由度，并且可以以新的方式相互作用。
分子可能是使用“量子比特”操纵量子信息的天然环境：量子比特有三种可能的状态：-1、0和+1。Qutrits可以为复杂材料或物理学基本力量的量子模拟提供一种方法。
多伊尔补充说，这些进展还有助于利用捕获分子进行高精度测量，从而揭示新基本粒子的存在。
尽管如此，事实证明，由于分子的复杂性，在实验室中很难控制。它们的自由度本身就很有吸引力，但也使得它们在实验室环境中难以控制或“圈养”。
这项工作“突显了这一领域惊人的发展速度”，英国杜伦大学物理学家汉娜·威兰斯（Hannah Willams）评价这项成果说：“通过这项成果，他们证明了分子将成为能够进行量子模拟的竞争性平台的基础。”
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03943-1[2]https://phys.org/news/2023-12-physicists-entangle-individual-molecules-hastening.html[3]https://www.miragenews.com/studies-prove-on-demand-quantum-entanglement-in-1139539/
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