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，分子比其他替代物具有优势，例如被捕获的离子、原子或光子。这些优势表明分子系统将在新兴的量子技术中发挥重要作用。但是，一段时间以来，由于在量子体系中准备、控制和观察分子方面存在长期挑战，对分子系统的研究仅取得了如此大的进展。

普林斯顿研究人员揭示了超冷分子的微观量子相关性

现在，正如本周发表在《自然》杂志上的一项研究所记载的那样 ，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，其水平达到了以往研究从未达到的水平。由物理学副教授Waseem Bakr领导的普林斯顿团队能够将分子冷却到超低温，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，从而可以观察到每个单独的分子。

“我们在定义明确的内部和运动量子态中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，这是我们首次能够检测到的，”Bakr 说。

该实验对基础物理学研究具有深远的意义，例如研究多体物理学，该研究着眼于相互作用的量子粒子集合的涌现行为。该研究还可能加速大规模量子计算机系统的发展。

为了构建用于量子计算和更一般科学应用的大规模量子系统，研究人员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化为所谓的量子比特，它是量子计算机系统的基石。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——呈指数级增长——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 和他的团队相信分子系统虽然比其他平台探索得少，但具有特别的前景。

在实验环境中使用分子——尤其是作为潜在的量子比特——的一个重要优势是分子可以以大量新的方式存储量子信息，这是单个原子所不具备的。例如，即使对于仅由两个原子组成的简单分子(可以看作是一个小哑铃)，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摇动中。分子的另一个优点是它们通常具有远程相互作用;它们可以与光学晶格中许多位置以外的其他分子相互作用，而原子，例如，只有在占据相同位置时才能相互作用。

在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引人入胜的新物质量子相。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颖方面，”Bakr 说。“当你能够观察单个分子时，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，它们在晶格中位置或旋转状态的相关性。

“研究人员之前已经在超冷条件下制备了分子，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杰森罗森伯格说。纸。“通过观察每个单独的分子，我们可以真正描述和探索预期出现的不同量子相。”

二十多年来，研究人员一直在用原子量子气体研究多体物理学，但分子量子气体却很难驯服。与原子不同，分子可以通过以多种不同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”——它们的丰富性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。

研究人员首先将钠和铷这两种原子气体冷却到以纳开尔文为单位测量的极低温度，即十亿分之一开尔文的温度，从而实现了这种精确的控制水平。在这些超冷温度下，这两种气体中的每一种都会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，研究人员诱使原子以明确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，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，并保存在由驻波光构成的光学晶格中。

“我们将一组激光束干涉在一起，由此，我们创造了一个波纹状的景观，类似于分子所在的'鸡蛋盒'，”罗森博格说。

在实验中，研究人员在这个“鸡蛋盒”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——并追踪强相互作用系统中发生的事情。

“我们给了系统一个突然的'轻推'，”该论文的研究生和共同主要作者 Lysander Christakis 说。“我们让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，而在这种微观层面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引人入胜也最令人费解的特性之一。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——无论相距多远，都会彼此密不可分。纠缠在量子计算中尤为重要，因为它充当一种计算乘数。它是解决量子计算机问题的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确的意义。但研究人员强调，最终，该实验不一定是为了创造最先进的量子比特。相反，最重要的是，这是基础物理学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许多可能性，”克里斯塔基斯说。“我们在这里展示的是一个完整的平台，可以使用超冷分子作为一个系统来研究复杂的量子现象。”

罗森博格同意。“在这个实验中，分子被冻结在晶格上的各个位置，量子信息仅存储在分子的旋转状态中。展望未来，探索当您允许分子从一个站点“跳跃”到另一个站点时出现的有趣现象的整个其他领域将是令人兴奋的。我们的研究为研究可以用这些分子制备的更奇异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。

普林斯顿团队的其他成员是研究生 Ravin Raj;博士后研究员 Zoe Yan;本科 Sungjae Chi;斯坦福大学博士后研究员艾伦·晨星和普林斯顿大学赛勒斯·福格·布拉克特物理学教授大卫·休斯。该研究得到了国家科学基金会和大卫与露西尔帕卡德基金会的支持。