普林斯顿大学的一个物理学家团队首次能够将单个分子连接到量子力学“纠缠”的特殊状态中。在这种奇异的状态下，即使分子相距数英里，或者实际上，即使它们位于宇宙的两端，它们仍然相互关联，并且可以同时相互作用。这项研究最近发表在《科学》杂志上。

“这是分子世界的一个突破，因为量子纠缠具有根本性的重要性，”普林斯顿大学(Princeton University)物理学助理教授、该论文的资深作者劳伦斯·切克(Lawrence Cheuk)说。“但这也是实际应用的一个突破，因为纠缠分子可以成为许多未来应用的基石。”

例如，量子计算机可以比传统计算机更快地解决某些问题，量子模拟器可以模拟难以模拟的复杂材料，量子传感器可以比传统传感器更快地测量。

“研究量子科学的动机之一是，在实际世界中，事实证明，如果你利用量子力学定律，你可以在许多领域做得更好，”物理系研究生、该研究的合著者康纳·霍兰德(Connor Holland)说。

量子设备超越经典设备的能力被称为“量子优势”。量子优势的核心是叠加和量子纠缠的原理。传统的计算机位可以假设0或1的值，而量子比特(称为量子位)可以同时处于0和1的叠加态。

后一种概念，纠缠，是量子力学的主要基石，当两个粒子彼此不可分割地联系在一起时，这种联系就会发生，即使一个粒子与另一个粒子相隔数光年。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)最初质疑这种现象的有效性，他将其描述为“幽灵般的超距作用”。

从那时起，物理学家已经证明，事实上，纠缠是对物理世界和现实结构的准确描述。

“量子纠缠是一个基本概念，”Cheuk说，“但它也是赋予量子优势的关键因素。”

但建立量子优势和实现可控量子纠缠仍然是一个挑战，尤其是因为工程师和科学家仍然不清楚哪种物理平台最适合创建量子比特。

在过去的几十年里，许多不同的技术——如俘获离子、光子和超导电路，仅举几例——已经被探索作为量子计算机和设备的候选者。最佳的量子系统或量子比特平台很可能取决于具体的应用。

然而，在这个实验之前，分子长期以来一直无法控制量子纠缠。但是Cheuk和他的同事们发现了一种方法，通过在实验室中仔细操作，控制单个分子并诱导它们进入这些互锁的量子态。

他们还认为，分子具有某些优势，例如，优于原子，这使得它们特别适合于量子信息处理和复杂材料的量子模拟的某些应用。例如，与原子相比，分子具有更多的量子自由度，可以以新的方式相互作用。

“实际上，这意味着有了存储和处理量子信息的新方法，”电子与计算机工程研究生、该论文的合著者吕玉凯说。“例如，一个分子可以在多种模式下振动和旋转。所以，你可以使用其中两种模式来编码一个量子位。如果分子种类是极性的，即使在空间上分开，两个分子也可以相互作用。”

尽管如此，由于分子的复杂性，在实验室中控制分子是出了名的困难。正是自由度使它们具有吸引力，也使它们在实验室环境中难以控制或饲养。

Cheuk和他的团队通过一个深思熟虑的实验解决了许多这些挑战。他们首先选择了一种既具有极性又可以用激光冷却的分子。然后，他们用激光将分子冷却到超冷的温度，这是量子力学发挥核心作用的地方。

然后，单个分子被一个紧密聚焦的激光束(即所谓的“光学镊子”)的复杂系统拾取。通过设计镊子的位置，他们能够创建单个分子的大阵列，并将它们单独放置到任何想要的一维结构中。例如，他们创造了孤立的分子对和无缺陷的分子串。

接下来，他们将一个量子比特编码到分子的非旋转和旋转状态中。他们能够证明这个分子量子位保持相干;也就是说，它记住了它的叠加。简而言之，研究人员展示了从单独控制的分子中创建良好控制和相干量子位的能力。

为了使分子纠缠在一起，他们必须使分子相互作用。通过使用一系列微波脉冲，他们能够使单个分子以一种连贯的方式相互作用。

通过允许相互作用持续一段精确的时间，他们能够实现一个双量子比特门，使两个分子纠缠在一起。这很重要，因为这种纠缠双量子比特门是通用数字量子计算和复杂材料模拟的基石。

考虑到这个分子镊子阵列新平台提供的创新功能，这项研究在研究量子科学不同领域的潜力是巨大的。普林斯顿大学的研究小组特别感兴趣的是探索许多相互作用分子的物理学，这可以用来模拟量子多体系统，在那里可以出现有趣的突发行为，比如新形式的磁性。

Cheuk说:“将分子用于量子科学是一个新的前沿，我们对按需纠缠的演示是证明分子可以用作量子科学可行平台的关键一步。”

在同一期《科学》杂志上发表的另一篇文章中，由哈佛大学的John Doyle和Kang-Kuen Ni以及麻省理工学院的Wolfgang Ketterle领导的一个独立研究小组取得了类似的结果。

“他们得到相同结果的事实验证了我们结果的可靠性，”Cheuk说。“它们还表明，分子镊子阵列正在成为量子科学的一个令人兴奋的新平台。”