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我科学家首次制备出单原子和单分子之间的量子纠缠态 有重要推动作用

2020-05-25 15:27:46来源:科技日报

记者从中国科学技术大学获悉,该校杜江峰院士团队与合作者合作,首次制备了单原子和单分子之间的量子纠缠态,并且通过定量表征手段,确定产生的量子纠缠超过临界阈值。研究成果日前在线发表在《自然》上。

目前有多种体系可用于探索实现量子传感和量子信息处理。其中,分子作为多个原子组成的系统,原子集团可以转动和发生振动,由此带来独特的属性。因此分子可以处于能量跨度相当大的不同量子状态,状态之间能量差别所对应的频率可以从接近零一直到达数百THz(每秒百万亿次)的光学频率,因此分子可以作为媒介,用于匹配和沟通频率迥异的不同量子系统,实现复合的量子体系和信息处理平台。另外,极性分子之间可以产生长程的相互作用,有利于实现新型的量子信息处理平台,这样的关联属性在量子计算和一些量子精密测量中有重要应用。

研究人员通过在离子阱体系束缚带电的钙原子和氢化钙分子,使用激光调控制备出他们之间的纠缠态。当钙离子的电子轨道状态处于基态,分子的转动也在低转动能量状态的一种整体状态;同时可以“叠加”截然不同的另一种整体态——前者处于轨道的激发态,对应分子处于高转动能量的状态。相反的激发配对也可以制备。基态和激发态可以存储量子信息,类似二进制的“0”和“1”,即量子比特。最后,通过观察不同情况下原子和分子协同的状态关联,可以整合所有信息成一个范围在0到1之间的值,超过0.5的阈值即表示纠缠态的出现。实验中测得的数值在误差范围内远高出这个阈值,表明纠缠态的产生。

这项成果对于未来考虑使用分子进行量子信息处理有重要推动作用。(记者 吴长锋)

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