特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（米測 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
量子糾纏對(duì)于許多量子應(yīng)用至關(guān)重要，包括量子信息處理、量子模擬和量子增強(qiáng)傳感。由于其豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互作用，分子被認(rèn)為是量子科學(xué)的一個(gè)有前途的平臺(tái)。然而，單獨(dú)控制的分子的確定性糾纏一直是一個(gè)長期存在的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。
有鑒于此，普林斯頓大學(xué)Lawrence W. Cheuk等人展示了單獨(dú)制備分子的按需糾纏。利用可重構(gòu)光鑷陣列制備的分子對(duì)之間的電偶極相互作用，確定性地創(chuàng)建了貝爾分子對(duì)，實(shí)現(xiàn)了捕獲在可重構(gòu)光鑷陣列中的各個(gè)激光冷卻分子之間的按需糾纏。分子鑷陣列的方法結(jié)合了可重構(gòu)光鑷陷阱提供的微觀可控性和通過分子之間的電偶極相互作用產(chǎn)生糾纏的能力。本工作結(jié)果證明了量子應(yīng)用所需的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，并可能推進(jìn)使用捕獲分子的量子增強(qiáng)基礎(chǔ)物理測試。
準(zhǔn)備和初始化激光冷卻分子陣列
本工作始于捕獲在動(dòng)態(tài)可重構(gòu)光鑷陷阱陣列中的單個(gè)激光冷卻一氟化鈣 (CaF)分子，通過激光冷卻、光捕獲和傳輸?shù)纫幌盗胁襟E，單分子從磁光陷阱轉(zhuǎn)移到由37個(gè)相同光鑷陷阱組成的一維陣列。作者通過中性原子中的重排方法消除了光鑷占據(jù)的隨機(jī)性，通過測量成功創(chuàng)建均勻陣列的概率來表征重排過程，發(fā)現(xiàn)單粒子重排保真度為97.4(1)%。
圖1 可重構(gòu)光鑷陣列中的激光冷卻分子
探測單分子的旋轉(zhuǎn)相干性
為了通過分子之間的偶極相互作用產(chǎn)生糾纏，需要較長的相干時(shí)間。基于前期工作基礎(chǔ)，作者確定了一個(gè)贗幻囚禁條件，其中兩個(gè)自旋態(tài)經(jīng)歷了近似相同的囚禁勢。作者準(zhǔn)備了一對(duì)光鑷陷阱，其中一個(gè)陷阱是空的，另一個(gè)陷阱被在|↑>中初始化的分子占據(jù)，基于此測量了相干時(shí)間，相干時(shí)間可延長至215(30) ms。裸相干時(shí)間主要受到環(huán)境磁場的緩慢（毫秒時(shí)間尺度）波動(dòng)的限制。
圖2 鑷重排和內(nèi)部狀態(tài)初始化
觀察一致的分子間相互作用
獲得足夠長的旋轉(zhuǎn)相干時(shí)間后，作者接著開始觀察相干自旋交換相互作用。分子之間的長程電偶極相互作用引起|↑>和|↓>之間旋轉(zhuǎn)激發(fā)的共振交換。為了觀察自旋交換相互作用的影響，首先創(chuàng)建了一對(duì)|↑>分子，初始間距為4.20(6) mm，在此距離上相互作用可以忽略不計(jì)。接下來，在3 ms內(nèi)將對(duì)間距減小到1.93(3)mm，此時(shí)相互作用強(qiáng)度J在相干時(shí)間尺度上變得可觀。通過觀察P↑↑的振蕩，直接揭示了相干自旋交換相互作用的存在。通過改變對(duì)間距，驗(yàn)證了從振蕩頻率提取的相互作用強(qiáng)度J大約為1/r3。
圖3 單粒子相干性和自旋交換振蕩
創(chuàng)建并驗(yàn)證分子的糾纏
為了證明分子的糾纏，作者測量了貝爾態(tài)創(chuàng)建保真度F。根據(jù)布居和宇稱振蕩測量，獲得了FRAW=0.540的原始貝爾態(tài)保真度，原始保真度和測量校正保真度均高于1/2，表明糾纏確實(shí)存在并按需創(chuàng)建。在量子信息處理的背景下，SPAM校正的貝爾狀態(tài)保真度提供了通過自旋交換實(shí)現(xiàn)的iSWAP門的質(zhì)量指示。在證明了貝爾對(duì)的確定性創(chuàng)建之后，作者進(jìn)一步探討了它們的壽命，發(fā)現(xiàn)壽命為85(5)ms。最后，作者研究了如何提高貝爾狀態(tài)保真度，分子溫度是實(shí)現(xiàn)高保真糾纏的關(guān)鍵因素，最終可以實(shí)現(xiàn)超過0.95的狀態(tài)準(zhǔn)備保真度。
圖4 創(chuàng)建和探測貝爾對(duì)
參考文獻(xiàn)：
CONNOR M. HOLLAND, et al. On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array. Science, 2023, 382(6675):1143-1147.
DOI: 10.1126/science.adf4272
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
