物理學(xué)家已經(jīng)邁出第一步，用一種名為光鑷的激光設(shè)備捕獲單個分子，進(jìn)而構(gòu)建出量子計(jì)算機(jī)。12月7日，兩個團(tuán)隊(duì)分別在《科學(xué)》上報告了他們的研究結(jié)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(jì)算的一個關(guān)鍵效應(yīng)。

　　“這兩篇論文構(gòu)成了一個‘里程碑式的成果’。”美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理學(xué)家Adam Kaufman說，“這為利用糾纏態(tài)擴(kuò)大分子鑷子陣列的潛在應(yīng)用范圍打開了大門。”

　　20世紀(jì)90年代末，量子計(jì)算基本原理的一些最初演示操縱了核磁共振機(jī)器內(nèi)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(jì)算平臺，包括超導(dǎo)電路和真空中的單個離子。而平臺中的每一個物質(zhì)單元都被當(dāng)作量子信息或量子位的基本單元，量子位是經(jīng)典計(jì)算機(jī)中比特的量子等價物。

　　在過去幾年里，另一個強(qiáng)有力的競爭者出現(xiàn)了，其中的量子位是由中性原子而不是離子構(gòu)成的，這些原子被高度聚焦的激光束“鑷子”捕獲。

　　現(xiàn)在，兩個獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)在將這種方法用于分子而非原子方面取得了早期進(jìn)展。其中一篇論文的合著者、美國普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家Lawrence Cheuk說：“分子更復(fù)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(xiàng)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(shù)，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(zhuǎn)可以停止，或者可以讓它們只以一個量子的角動量旋轉(zhuǎn)，這是它們可能擁有的最小旋轉(zhuǎn)頻率。兩個團(tuán)隊(duì)都使用不旋轉(zhuǎn)的分子表示量子位的“0”狀態(tài)，用旋轉(zhuǎn)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(fù)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(fù)極誘導(dǎo)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(diào)節(jié)旋鈕。”另一篇論文的合著者、美國哈佛大學(xué)物理學(xué)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(jì)算機(jī)運(yùn)行算法所必需的。

　　研究人員表示，在大多數(shù)應(yīng)用中，分子量子計(jì)算機(jī)將比使用其他類型量子位的計(jì)算機(jī)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(xué)”操縱量子信息。量子力學(xué)有3種可能的狀態(tài)：-1、0和+1，可以提供一種對復(fù)雜材料或物理基本力進(jìn)行量子模擬的方法。

　　Doyle補(bǔ)充說，這些進(jìn)展還有助于利用捕獲的分子進(jìn)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(xué)物理學(xué)家Hannah Williams表示，這項(xiàng)工作凸顯了這一領(lǐng)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(jìn)行量子模擬的競爭性平臺。”（李木子）