科研：量子邏輯控制帶電分子

轉載自：煎蛋網

美國國家標準技術研究所(NIST)的物理學家解決了看起來不可能完成的任務，利用驅動NIST的實驗原子鐘一樣的「量子邏輯」，實現了對單個帶電分子量子性質的控制。

這一技術比較難以理解，涉及到激光製冷和原子操縱。原子的量子控制徹底改革了原子物理，催生了類似原子鐘等應用。但由於比原子更為複雜，激光製冷和分子控制仍然具有很強的挑戰性。

該技術也使用了激光，但不僅僅是輕輕地探測分子，而是直接檢測其量子狀態。這種分子離子(多個原子集合在一起並帶電)的控制能引出量子信息處理中的更複雜的結構，放大基礎物理研究中的信號，比如測量電子外形的圓度，化學反應的增壓控制。

該研究已發表在5月11日的自然雜誌上，並在NIST Boulder組上進行了演示，該小組首次在1987年演示了原子離子的激光冷卻。

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NIST物理學家JamesChin-WenChou說道：「我們提出了一種可應用於多種類型分子的方法。你能在原子離子上玩的姿勢，現在也能在分子離子上玩了。現在分子將會聽從您的指示：『主人，您想要我做什麼呢？』」

他還補充道：「這能與科學家第一次發現能激光冷卻並困住原子的發現相媲美了，打開了精密度量和信息處理方面應用的閘門，這是我們一直以來的夢想。」

相比原子，由於分子的結構更加複雜，包含了許多電子能級、振動和旋轉，因此更加難以控制。分子可以由不同數量的原子以不同姿勢組合而成，最大可跟DNA鏈差不多，一米多長。

該方法通過將信息從一個離子傳遞到另一個離子，發現了分子離子的量子態(電子、振動和旋轉)。受到NIST的量子邏輯鍾想法的啟發，研究者試圖操縱分子離子，如果能成，就能試著協調離子對的運動。研究者仔細選擇了操作方法，使得只會觸發特定狀態分子的運動。利用原子離子信號化「是」與「否」。這一技術十分溫和，可以在不摧毀分子量子狀態的條件下指示出分子的量子態。

資深作者Dietrich Leibfried說道：「只有處於適當狀態的分子才會搖動。原子會感受到這種搖動並將其轉換為我們能觀測到的光信號。這類似於盲文，能讓人們摸到所寫的內容。我們也能感覺到分子的狀態，而不是直接看到，原子離子就是我們的顯微手指。此外，可直接將這一技術原封不動應用於更大型的分子。這也是NIST的基礎任務之一，即開發精確度量工具，讓其他人也能用。」

為了進行該實驗，NIST研究者清除了老舊運作設備，包括在2004年量子隱形傳輸實驗中使用的陰離子阱，還借用了同個實驗室正在進行的量子邏輯鐘的激光設備。

研究者在室溫的高真空箱內控制了兩個鈣離子，令其間距為百萬分之一米。在真空室內釋放氫氣直到一個鈣離子反應形成氫化鈣CaH+分子離子。

類似於彈簧連接的鐘擺，由於物理上十分接近和兩者之間的電荷排斥作用，兩個離子的運動相互關聯。研究者利用激光冷卻原子離子，從而將分子冷卻至低能量狀態。在室溫下，分子離子將處於最低的電子和振動狀態，但仍保持旋轉狀態。

研究者然後施加紅外激光脈衝，並精心調整以避免改變離子的電子和振動狀態，驅動兩者在100個可能旋轉狀態中進行唯一的轉變。如果轉變發生了，雙離子運動系統中就會增加一量子的能量。研究者然後施加額外的激光脈衝將運動系統中的變化轉換為原子離子內部能級的變化。原子離子就會開始放射出光，表明分子離子狀態已經改變了，並且正是所需要的目標狀態。

隨後，研究者從放出的光線中轉換角動量，確認分子的旋轉態處於預定方向。

這一新技術有廣闊的應用前景。其他在JILA的NIST科學家先前曾利用激光以特定的方式操縱特殊帶電分子雲，但這項新技術可用於操控多種不同類型的大型分子離子。

Chou說道，分子離子相比原子離子提供了更多存儲和轉換量子信息的選擇。例如，分子離子提供了更多的功能，能將量子信息分布到不同類型的硬體中，比如超導元件。

這一理論還可用於回答更深層次的物理學問題，比如自然界的基礎常數是否會隨時間改變。研究者已經鑒定氫化鈣分子離子可能可以回答這一問題。此外，為了測量電子的電偶極矩(表徵粒子電荷分布圓度的量)，同時精確控制數百個粒子所有方面的能力將能增強科學家預期測量信號的強度。

論文原文：doi:10.1038/nature22338

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