文/林梅
5月,《后浪》视频刷屏朋友圈;5月,“后浪”也刷屏顶级学术期刊。
5月7日,24岁的曹原继两年前在《自然》(Nature)杂志连发两篇文章后,再度实现“两连发”;5月1日,27岁的王武翟关于边缘超电流的文章发表于《科学》(Science);5月14日,22岁的季珠润关于光的轨道角动量的文章发表于《科学》(Science);5月14日,90后刘骏秋、何吉骏参与的激光雷达工作成为《自然》(Nature)杂志封面,两项后续工作也相继被《自然》(Nature)杂志接收……
这些“后浪”有一个共同点,他们都毕业于中国科学技术大学。作为“后浪”的发源地,不仅用广阔的胸怀接纳后浪,还让“后浪”奔涌得更加激烈。
5月20日,33岁的中国科学技术大学教授林毅恒与美国国家标准技术研究所(NIST)合作实现了原子和分子的量子纠缠,相关成果发表于《自然》(Nature)杂志。2005年,林毅恒进入中国科学技术大学,毕业后,先后于美国科罗拉多大学博尔德分校、NIST学习、研究,在量子信息领域完成了多项有影响力的工作。2018年,他回归中国科学技术大学,这篇研究成果,得益于海外的学习、积累,也得益于中国科学技术大学宽松的科研氛围、优秀的学术交流条件。
尽管“纠缠”这种鬼魅般相互作用的相关研究成果常有报道,但科学家们至今难以弄清纠缠的本质。我们只能看到,一旦两个微观粒子发生纠缠,哪怕相距遥远,也能产生某种状态上的关联。利用这种关联,人们可以完成很多神乎其技的任务。
但是,之前报道过的纠缠实验,多是基于光子、电子、原子体系,特别是光子体系,纠缠起来非常容易,借由特殊的晶体,就可以产生一对纠缠光子。
可是别忘了,微观世界还有一种粒子——这就是我们从小耳熟能详的分子,分子可以纠缠吗?带着这个问题,我们请到了中科院微观磁共振重点实验室的林毅恒教授回答。
对于“分子可否产生纠缠”的问题,林教授给予了肯定的回答。他介绍道,分子谱线十分复杂,分子的转动、振动等模式非常丰富,能级差所对应的频率从1kHz到几百THz,这使得分子的纠缠有很大的难度。但这也意味着,如果我们可以控制好分子的纠缠,就可以跟很多复杂的量子体系进行匹配,开展更广泛的工作。分子的纠缠一直是这个研究领域的目标。而且,对于极性分子来说,还有一个特点——对电场敏感。利用这一点,我们可以将分子与微波光子系统,悬臂梁振子等体系进行相互作用,更好地进行控制。
“想知道一个人的健康状况,往往要借助CT的手段,从各个角度进行拍摄。我们要想对分子和原子进行调控和测量,也得从不同维度入手。”林教授这样比喻。
在这里,所谓的分子和原子的不同维度指的就是轨道角动量、振动、转动等不同的自由度,这些自由度,既是科学家调控的手段,又是科学家需要测量的对象。
首先,科学家们将Ca2+原子离子和CaH+分子离子捕获在离子阱里。由于两种离子的质量相差无几,又都带电,所以在库伦力作用下,它们像被弹簧连在一起,共同振动,这种联合的振动就像一个桥梁,把分子的转动态和原子的轨道态联系在一起。
在实验中,科学家们还有一个重要的武器——各种颜色、强度、方向和脉冲序列的激光。这些激光就像魔术师的手,让原子和分子如我们期望的那样在不同的状态上翻转。
科学家将原子离子的状态锁定在轨道态的S态上,将分子离子的转动状态制备到-3/2态上,这时候,联合振动量子数为0。接下来,科学家的目标是使两个粒子的状态纠缠起来,要达到一个什么效果呢?就是,当原子的轨道状态是S时,分子的转动状态是-3/2;当原子的轨道状态是D时,分子的转动状态是-5/2。
怎么做到这一点呢?关键时刻,还是刚才说的联合振动和神奇的激光发挥了作用。
利用一个叫作π/2的脉冲激光,起到一个相干操作的效果——把一个低激发态的粒子激发到低激发态和高激发态的叠加态。而在这个实验里,就是把分子离子从转动态-3/2激发到-3/2和-5/2的叠加态。相应地,-3/2对应振动态为0,-5/2对应振动态为1。
可是,这也仅仅是改变了分子离子的状态,并没有让分子和原子纠缠起来啊。别着急,这时候联合振动开始发挥作用了。
既然是联合振动,那就说明振动既是分子的,也是原子的。如果我们把目光放在原子身上,完全可以认为当分子转动态处于-3/2时,对应原子振动态为0,轨道态为S,当分子转动态处于-5/2时,对应原子振动态为1,轨道态为S。最后,再利用激光选择,把振动态为1,轨道态为S的原子跃迁至振动态为0,轨道态为D。这样,就造成了当分子转动态处于-3/2时,对应原子轨道态为S,当分子转动态处于-5/2时,对应原子轨道态为D。此时的联合振动态是0,作为桥梁,完成了纠缠的使命。
进行过上面的操作,原子和分子是不是真的纠缠了呢?如果真的纠缠,我们希望看到的最理想状况,就是当分子转动态处于-3/2时,原子轨道态为S态,当分子转动态处于-5/2时,原子轨道态为D态。为了度量实际情况和这种理想状态的接近程度,科学界构建了一个叫作保真度的指标。只要这个保真度大于0.5,就可以肯定纠缠的存在。
林毅恒老师以及NIST合作者的实验分别对两种情况进行了保真度的测量:一种是前文提到的分子转动态处于-3/2或-5/2,这两种分子状态只是转动角度稍微不同,能量仅仅相差13.4kHz——我们叫它低能对量子比特;一种是分子的转动量子数处于0或2,代表着分子以两种速度旋转,速度相差很大,能量相差了855GHz——我们叫它高能对量子比特。这两种情况下,保真度分别达到了87%和76%。完美地展示了原子和分子之间纠缠的存在。
可以看到,从kHz到GHz,分子具有非常宽泛的量子比特频率,作为中介者,它提供了一种更加广泛的选择。不论是在量子信息系统中,还在量子精密测量中,它都有望可以和很多不同频率的量子体系相匹配,实现复杂的量子系统。(量子沙龙供稿)
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