物理學家已經邁出第一步，用一種名為光鑷的激光設備捕獲單個分子，進而構建出量子計算機。12月7日，兩個團隊分別在《科學》上報告了他們的研究結果，在這兩種情況下，單氟化鈣分子對相互作用并糾纏在一起——這是量子計算的一個關鍵效應。
“這兩篇論文構成了一個‘里程碑式的成果’。”美國科羅拉多大學博爾德分校物理學家Adam Kaufman說，“這為利用糾纏態(tài)擴大分子鑷子陣列的潛在應用范圍打開了大門。”
20世紀90年代末，量子計算基本原理的一些最初演示操縱了核磁共振機器內部溶液中的大量分子。從那時起，研究人員開發(fā)了各種其他的量子計算平臺，包括超導電路和真空中的單個離子。而平臺中的每一個物質單元都被當作量子信息或量子位的基本單元，量子位是經典計算機中比特的量子等價物。
在過去幾年里，另一個強有力的競爭者出現了，其中的量子位是由中性原子而不是離子構成的，這些原子被高度聚焦的激光束“鑷子”捕獲。
現在，兩個獨立的團隊在將這種方法用于分子而非原子方面取得了早期進展。其中一篇論文的合著者、美國普林斯頓大學物理學家Lawrence Cheuk說：“分子更復雜，這意味著它們提供了編碼量子信息的新方法，也提供了相互作用的新方法。這為處理量子信息提供了前所未有的方式。”
兩項研究都使用了光鑷陣列，且每個鑷子單元都捕獲了一個分子。通過激光技術，他們將分子冷卻到幾十微開爾文的溫度，僅比絕對零度高百萬分之一度。在這種狀態(tài)下，分子幾乎是完全靜止的。它們的自轉可以停止，或者可以讓它們只以一個量子的角動量旋轉，這是它們可能擁有的最小旋轉頻率。兩個團隊都使用不旋轉的分子表示量子位的“0”狀態(tài)，用旋轉分子表示量子位的“1”狀態(tài)。
單氟化鈣是高度極性的——它的電子攜帶的負電荷聚集在氟原子上，使分子的鈣端帶一個凈正電荷。研究人員可以通過“感覺”對方的正負極誘導兩個單氟化鈣分子相互作用。“分子的偶極相互作用給了我們一個額外的調節(jié)旋鈕。”另一篇論文的合著者、美國哈佛大學物理學家John Doyle說。
通過這種方式，研究小組能夠證明分子發(fā)生了相互糾纏，這意味著它們形成了一個集體量子系統(tǒng)。這是量子計算機運行算法所必需的。
研究人員表示，在大多數應用中，分子量子計算機將比使用其他類型量子位的計算機慢。但分子可能是一種自然環(huán)境，可以在其中使用“量子力學”操縱量子信息。量子力學有3種可能的狀態(tài)：-1、0和+1，可以提供一種對復雜材料或物理基本力進行量子模擬的方法。
Doyle補充說，這些進展還有助于利用捕獲的分子進行高精度測量，從而揭示新的基本粒子的存在。
英國杜倫大學物理學家Hannah Williams表示，這項工作凸顯了這一領域驚人的發(fā)展速度。“這一成就表明，分子將成為一個能夠進行量子模擬的競爭性平臺。” （李木子）
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