芝加哥大学华人团队突破性实验登Nature，打开分子量子计算的大门

　　编译/文龙
　　量子计算机的前景与潜力是有目共睹的，但由于技术的限制，目前量子计算的研究仍大多集中在原子级别。就在去年，加州的一群物理学家提出了基于分子的新型量子计算机的理论研究，为分子量子计算描绘了「蓝图」。
　　现在，我们离实现分子量子计算的目标又近了一步。近日，由芝加哥大学物理学教授 Cheng Chin 带领的团队展示了一种可以将多个分子同时进入单量子态的新方法，该技术实现了建立和控制分子的量子态。这种突破可以作为多种形式的量子技术的基础。
　　这项突破性实验的相关研究成果于4月28日以「从原子到分子的玻色-爱因斯坦凝聚物的跃迁」（Transition from an atomic to a molecular Bose–Einstein condensate）为题发表在《自然》（Nature）杂志上。该研究的作者之一是山西光电研究所的陈良超，其余两位是芝加哥大学在读的华人研究生。
　　物质的一种基本状态称为玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）：当一组冷却到接近绝对零度的粒子共享一个量子态时，整组粒子就开始表现得像是一个原子一样。这有点像军训时将解散的队伍重新集合起来走方阵，虽然很难实现，但是一旦发生，就可以打开一个全新的可能性世界。
　　几十年来，科学家已经能够用原子做到这一点，但是他们真正想做的是能够用分子做到这一点。因为分子的结构非常复杂，如果弄清楚了如何利用分子进行量子计算，就可以对信息进行适当编码来提高量子位的打包效率。同时，复杂的结构也使分子变得难以控制。
　　随着技术的发展， Chin 的团队想在实验室中尝试一些可用的新方法。去年开始，他们尝试添加了两个条件。首先是将整个系统冷却到10 纳开尔文（nanokelvin），高于绝对零度一个头发丝的值。然后他们将分子打包进一个狭窄空间内，以便将它们固定在平坦的位置。
　　「通常，分子要向各个方向移动，如果允许这样的话，它们的稳定性就会大大降低，」 Chin 说，「我们限制了分子，使它们在 2D 平面上并且只能在两个方向上移动。」
　　结果产生了一组几乎相同的分子——在相同的量子态下以完全相同的方向、相同的振动频率排列。 从原子到分子
　　分子是保持物质化学性质的最小粒子，原子是化学变化中的最小粒子。分子和原子都是物质构成的基本粒子，而量子不同，它指的是不能被分割的能量的最小单位。
　　因此，无论是分子还是原子，在低温条件都可以实现玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种状态下，几乎全部的原子或分子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。
　　图示：g 波分子冷凝物的产生。（来源：论文）
　　但是因为分子比原子大，并且具有更多的运动部分，所以大多数利用它们的尝试都陷入了混乱。Chin说：「原子是简单的球形物体，而分子可以振动、旋转、携带磁性粒子。因为分子可以做很多不同的事情，所以它们更有用，同时更难控制。」
　　利用团队发现的新方法，到目前为止，他们已经能够在这种状态下将数千个分子连接在一起，并开始探索其潜力。 从量子计算到量子化学
　　科学家将这种分子冷凝物形容为用于量子计算新蓝图的原始图纸。Chin 解释说：「这是绝对理想的起点。如果你要构建量子系统来保存信息，则在格式化和存储该信息之前，需要先书写好内容。」
　　图示：Cheng Chin教授在芝加哥大学的实验室中宣布了一项突破，将多个分子同时转变为一个量子态。（来源：芝加哥大学）
　　Chin 还指出：「以传统的化学思考方式，您会想到一些原子和分子碰撞并形成一个新分子。但是在量子状态下，所有分子以集体行为共同作用。这为探索分子如何能够一起反应成为一种新型分子开辟了一条全新的道路。」
　　「人们几十年来一直在努力做到这一点，所以我们感到非常兴奋。」 Chin 表示，自1990年代毕业以来，他一直希望实现这一目标。「我希望这可以为量子化学开辟新领域。那里将会有很多新的发现。」
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03443-0#Sec1
　　参考内容：https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state