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麻省理工科技评论-科学家开发量子科学实验平台，在光镊阵列中精准操纵分子，有望用于处理量子信息或模拟量子多体系统
以优秀毕业生从中国科学技术大学理科试验班本科毕业，逯与凯在到美国普林斯顿大学读博后不久，就为自己设立了两个目标：看到分子间的相互作用以及为光镊中的分子降温。
如今是他读博的第 6 年，不仅在博士阶段完成了这两个目标，还以共同第一作者的身份，在 2 个月内先后将相关论文发布在 Science 和 Nature Physics[1,2]。
逯与凯所在的普林斯顿大学团队为分子量子模拟和计算，提供了一个全新的量子科学实验平台。首次使用可重构光镊阵列实现分子纠缠，这对推动利用分子研究量子科学具有重要的意义。
研究人员通过在光学镊子阵列中操纵分子，使其达到纠缠状态。利用这种可重构光镊阵列可以根据需要重新排列和操作分子，从而实现分子的按需纠缠。
光学镊子阵列的可重构性，使分子的操作和控制变得更加灵活和精确，利用分子作为量子比特能够提供更多的可能性。
该平台有望用于处理量子信息或模拟量子多体系统。同时，由于分子的结构具有丰富的量子自由度，该技术还可扩展到其他分子实验，例如精密测量和超冷化学。
在精密测量领域，分子对于某些超出标准模型的新物理较为敏感，通过测量分子的某些性质可能会看到一些新物理所导致的结果。利用分子纠缠，有望提高测量的灵敏度。
逯与凯指出，该技术还可以用于研究量子态分辨的化学反应，探究量子纠缠在化学反应中的角色，并利用纠缠探测化学反应。
有望用于处理量子信息或模拟量子多体系统
21 世纪初，分子被科学家提出可作为新的量子平台，从冷却技术到分子的操控技术一直在不断地发展。
纠缠对很多量子应用至关重要，在过去的 20 多年，很多不同的量子平台涌现出来并应用在量子模拟、量子计算、量子网络和量子传感等方向，各种系统包括离子、超导量子比特、中性原子、核磁共振以及固体中的各种色心等。
对于量子平台来说，实现粒子间的纠缠是非常重要的一步。而通往纠缠的“必经之路”，是需要看到分子间的相干相互作用并实现双量子比特门。尽管分子间相互作用已被观测到，但当时的实验并不具备单分子的操控能力，无法确定性地产生和测量两分子间的纠缠。
为解决这些问题，该课题组搭建了一个用分子进行量子科学研究的实验平台，能够确定地将两分子制备到目标初态上，并利用相互作用制备纠缠。
具体来说，研究人员将一束脉冲激光打到钙固体上，同时通进六氟化硫（SF6）气体，从而产生单氟化钙（CaF）分子。
他们让处于 4 开尔文的氦气分子（He）和 CaF 分子碰撞，将分子预冷却到 4 开尔文。“我们先用激光将分子减速至近似于完全静止，然后用磁光阱技术将这些分子抓住。”逯与凯说道。
但是，需要了解的是，光镊大小仅 1 微米左右，而分子磁光阱的局限性在于它能抓住的分子数少、尺寸大、温度高，因此直接从磁光阱里抓分子并不可行。基于此，研究人员采取一系列步骤降低分子的温度和提高分子的密度[3]。
该课题组利用亚多普勒冷却技术，在自由空间将分子冷却到 10 微开尔文左右。逯与凯表示：“该温度相当于绝对零度的十万分之一。然后，将分子转移到比磁光阱更小、但比光镊更大的光偶极阱。”
在该研究中，研究人员通过荧光成像确认分子的具体位置，对其进行精准操控，最高排出 23 个分子的一维无缺陷阵列。实验中将分子两两配对后排出 6 对，进行双分子间相互作用的研究。
实际上，该团队在单分子的成像技术上，被“卡”了很久。“我第一次感受到面对未知的无力，我们如盲人摸象般一点点接近答案，走得异常缓慢还很容易迷失方向。”
经过几个月的尝试，他们在更加深入地理解了成像过程和 CaF 分子后，测量了一些分子的性质[4]，并在偶然的一次实验中发现很关键的一束光，最终实现了分子的高保真度探测和成像。
在对分子内态的控制中，由于分子的结构复杂，导致一开始分子在很多不同的能态上分布。但是，研究人员想将它简化成两能级系统。“后来，我们通过用光泵浦和微波转移的方法，把分子放置到这两能级系统中的一个。”逯与凯说。
从量子门角度，可利用自旋交换相互作用实现双比特门从而制备分子纠缠，该研究则利用 iSWAP 门完成纠缠。
首先是对单比特的操控，包括实现单比特门和探索退相干机制。在此基础上，研究人员通过动力学解耦的方法将分子相干时间延长到 220ms。
在具备足够长单比特相干时间的前提下，探究两分子的相干相互作用。逯与凯指出，由于光镊阵列具有易调控的优势，通过改变分子间的距离，看到了相互作用随距离的变化。
再选取恰当的时间，实现由自旋交换作用产生的 iSWAP 门，配合单比特门将一开始处于可分态的分子制备到贝尔态，并测量了保真度和寿命，经过初态制备和测量纠正的保真度达到 86.3%。
“与之前的技术难点相比，后来的探索显得异常顺利。我们很快看到了分子间的相干相互作用和制备了贝尔态，在技术上被‘卡’了这么久终于苦尽甘来了。”逯与凯回忆道。
最终，相关论文以《可重构光镊阵列中分子的按需纠缠》（On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array）为题发表在 Science 上[1]。
普林斯顿大学博士研究生康纳·M·霍兰（Connor M. Holland）和逯与凯为论文共同第一作者，普林斯顿大学劳伦斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）助理教授为论文通讯作者。
据了解，在上述论文发表的同一天，哈佛大学团队也在 Science 发表了单分子作为量子比特的相关论文[5]。两项重要成果的同期发步，预示着分子作为一个新平台正在蓬勃发展。
利用拉曼边带冷却实现对分子的三维冷却
在分子的量子纠缠研究中[1]，研究人员发现分子的温度是限制两分子相互作用相干性和贝尔态保真度的关键因素，需要对光镊中的分子进一步冷却。基于此，分子外部运动自由度的降温成为他们致力于攻克的重点。
于是，该课题组提出了一种利用拉曼边带冷却（Raman sideband cooling，RSC）技术，来冷却光学镊子阵列中分子的方法[2]。助力解决分子冷却和控制的关键问题，以实现更精确的量子操作。
RSC 是一种能够将简谐振子冷却到运动基态的技术。“此前，虽然 RSC 技术在离子和光镊囚禁的中性原子等其他体系已被实现，但据我所知这是首次用于分子的冷却。”逯与凯表示。
从对分子的全量子控制层面，可以将分子的自由度划分为三部分：位型、内态和外部运动。
此前，研究人员在制备纠缠实验中展示了对位型和内态两种自由度的控制。具体来说，位型可通过对分子进行非破坏性探测以及用光镊移动分子来控制，内态则利用光泵浦和微波进行控制。
该研究在保证对位型和内态两种自由度控制不受影响的前提下，实现了对分子外部运动的三维冷却。
通过应用 RSC，研究人员有效减少了光学镊子中分子的热运动，并将其冷却到更低的温度。在调节激光光束的参数后，他们能够操纵和控制光学镊子中的分子运动，从而为实现对分子的全量子操控奠定基础。
通过 RSC 和光学镊子阵列的结合，研究人员为分子量子计算和量子调控提供了新的实现方案和工具。
逯与凯表示：“我们从原理上证明了分子的 RSC，目前已找到限制冷却效果的因素，正在升级系统，希望未来能够达到接近于运动基态的温度。”
近日，相关论文以《光镊阵列中分子的拉曼边带冷却》（Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array）为题发表在 Nature Physics 上[2]。
普林斯顿大学博士研究生逯与凯、塞缪尔·J·李（Samuel J. Li）和康纳·M·霍兰（Connor M. Holland）为论文共同第一作者，劳伦斯·W·丘克（Lawrence W. Cheuk）教授为论文通讯作者。
接下来，研究人员将继续探索超冷分子在量子模拟和量子信息处理上的潜力，进一步提高对单分子的操控能力，包括提升初态制备和全局单比特门的保真度、加入初步的局域单分子操控等。
“在此基础上，我们还将尝试寻找系统中的各种噪声，从而进一步增长相干时间，并计划用分子来探索研究量子多体系统的动力学行为，这也是我们认为分子作为量子模拟平台最独特的优势。”逯与凯说道。
参考资料：
1.Holland, C.M., Lu, Y. et al. On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array.Science382, 6675，1143-1147(2023).https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
2.Lu, Y., Li, S.J., Holland, C.M.et al. Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array. Nature Physics (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-023-02346-3
3.Lu, Y.,Holland, C.M.et al. Molecular Laser Cooling in a Dynamically Tunable Repulsive Optical Trap.Physical Review Letters128, 213201(2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.213201
4. Holland, C.M., Lu, Y. et al.Bichromatic Imaging of Single Molecules in an Optical Tweezer Array.Physical Review Letters131, 053202(2023).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.053202
5.Bao,Y. et al. Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array. Science382, 6675,1138-1143(2023).https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999
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