研究人员揭示了超冷分子的微观量子相关性

物理学家越来越多地使用超冷分子来研究物质的量子态。许多研究人员认为，分子比其他替代品具有优势，例如捕获离子，原子或光子。这些优势表明，分子系统将在新兴量子技术中发挥重要作用。但是，一段时间以来，对分子系统的研究只取得了进展，因为在量子体系中准备、控制和观察分子的长期挑战。

现在，正如本周发表在《自然》杂志上的一项研究所记录的那样，普林斯顿大学的研究人员通过显微镜研究分子气体取得了重大突破，其水平是以前的研究从未达到过的。由物理学副教授Waseem Bakr领导的普林斯顿大学团队能够将分子冷却到超冷的温度，将它们加载到称为光学晶格的人造光晶体中，并以高空间分辨率研究它们的集体量子行为，以便可以观察到每个单独的分子。

“我们以明确的内部和运动量子态制备了气体中的分子。分子之间的强烈相互作用产生了微妙的量子相关性，我们第一次能够检测到，“Bakr说。

这个实验对基础物理研究具有深远的意义，例如多体物理学的研究，它着眼于相互作用的量子粒子集合的涌现行为。这项研究还可能加速大规模量子计算机系统的发展。

在寻求构建大规模量子系统的过程中，无论是用于量子计算还是更一般的科学应用，研究人员都使用了各种不同的替代方案——从捕获的离子和原子到限制在“量子点”中的电子。

目标是将这些不同的替代方案转换为所谓的量子比特，量子比特是量子计算机系统的构建块。量子计算机比经典计算机系统具有更大的计算能力和容量 - 指数级增长，并且可以解决经典计算机难以解决的问题。

尽管到目前为止还没有单一类型的量子比特成为领跑者，但Bakr和他的团队认为，分子系统虽然比其他平台探索得更少，但具有特别的前景。

在实验环境中使用分子的一个重要优势 - 特别是作为潜在的量子比特 - 是分子可以以单个原子无法获得的大量新方式存储量子信息。

例如，即使对于仅由两个原子组成的简单分子，可以可视化为微小的哑铃，量子信息也可以存储在哑铃的旋转运动或其组成原子相对于彼此的晃动中。分子的另一个优点是它们通常具有长程相互作用;它们可以与光晶格中许多位点以外的其他分子相互作用，而原子，例如，只有在它们占据同一位点时才能相互作用。

当使用分子研究多体物理学时，这些优势有望使研究人员能够在这些合成系统中探索物质的迷人新量子相。然而，Bakr和他的团队在这个实验中能够克服的一个主要问题是这些量子态的微观表征。

“在单个分子水平上探测气体的能力是我们研究的新方面，”Bakr说。“当你能够查看单个分子时，你可以提取更多关于多体系统的信息。

Bakr提取更多信息的意思是能够观察和记录表征量子态分子的微妙相关性 - 例如，它们在晶格中的位置或旋转状态的相关性。

“研究人员以前在超冷状态下制备了分子，但他们无法测量它们的相关性，因为他们看不到单个分子，”普林斯顿大学物理系研究生，该论文的共同主要作者Jason Rosenberg说。“通过观察每个单独的分子，我们可以真正表征和探索预期会出现的不同量子相。

虽然研究人员已经用原子量子气体研究多体物理学二十多年了，但分子量子气体更难驯服。与原子不同，分子可以通过以许多不同的方式振动和旋转来储存能量。这些不同的激发被称为“自由度”，它们的丰度是使分子难以通过实验控制和操纵的特征。

“为了研究量子体系中的分子，我们需要控制它们的所有自由度，并将它们置于明确定义的量子力学状态，”Bakr说。

研究人员通过首先将钠和铷的两种原子气体冷却到以纳米开尔文或十亿分之一开尔文度测量的令人难以置信的低温来实现这种精确的控制水平。在这些超冷的温度下，两种气体中的每一种都转变为一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态。在这种超冷环境中，研究人员诱导原子以明确定义的内部量子态配对成钠 - 铷分子。然后他们使用激光将分子转移到它们的绝对基态，在那里分子的所有旋转和振动都被冻结。

为了保持分子的量子行为，它们被隔离在真空室中，并保持在由驻波制成的光晶格中。

“我们将一组激光束干扰在一起，由此，我们创造了一个类似于'鸡蛋纸盒'的波纹状景观，分子位于其中，”罗森伯格说。

在实验中，研究人员在这个“鸡蛋纸盒”格子中捕获了大约一百个分子。然后，研究人员将系统推离平衡，并跟踪了强相互作用系统中发生的事情。

“我们突然给了这个系统一个'推动'，”研究生、该论文的共同主要作者莱桑德·克里斯塔基斯(Lysander Christakis)说。“我们允许分子相互作用并建立量子纠缠。这种纠缠反映在微妙的相关性中，在这个微观层面上探测系统的能力使我们能够揭示这些相关性 - 并了解它们。

纠缠是多体量子态最迷人和最令人困惑的性质之一。它描述了亚原子世界的一种特性，其中量子元素——无论是分子、电子、光子还是其他任何东西——无论它们之间的距离有多远，它们都变得密不可分。纠缠在量子计算中尤其重要，因为它充当一种计算乘法器。它是解决量子计算机问题指数加速的关键因素。

研究人员在制备和检测分子方面取得的无与伦比的控制对量子计算具有明显的影响。但研究人员强调，最终，实验不一定是关于创建最先进的量子比特。相反，最重要的是，这是基础物理研究向前迈出的一大步。

“这项研究为研究多体物理学中真正有趣的问题开辟了很多可能性，”克里斯塔基斯说。“我们在这里展示的是一个完整的平台，用于使用超冷分子作为研究复杂量子现象的系统。

罗森伯格对此表示赞同。“在这个实验中，分子被冻结在晶格上的单个位点，量子信息仅存储在分子的旋转状态中。展望未来，探索另一个有趣的现象领域将是令人兴奋的，当你允许分子从一个站点“跳跃”到另一个站点时，这些现象会出现。我们的研究为研究可以用这些分子制备的更奇特的物质状态打开了大门，现在我们可以很好地表征它们，“他总结道。