纠缠分子构成新颖的量子比特平台不敢公布的秘密是什么？

冷却装置：普林斯顿大学团队用来冷却、控制和缠绕单个分子的激光装置。

超冷分子离成为量子技术的可行平台又近了一步，这要归功于两个独立的研究小组，他们表明他们可以纠缠成对分子并将它们编码为量子比特。由于分子提供了编码量子信息的新方法，并且可以在长距离上相互作用，因此这两项工作为量子计算和量子模拟提供了超越其他类型量子比特的新可能性。

量子计算不同于经典计算。经典比特的值为 0 或 1，而量子比特可以同时是两者的叠加。这使得更快地执行某些复杂的计算成为可能，并且人们普遍预测快速和高性能量子设备的出现将彻底改变计算。

也就是说，目前的量子比特平台，如俘获离子、量子点、里德堡原子和专门设计的超导电路，被限制在“仅”0、1和叠加。由分子组成的量子比特可以改变这一点。根据定义，分子由至少两个原子组成，这些原子可以相对于彼此振动和旋转。这些振动和旋转为存储和处理信息创造了额外的状态，这意味着三个或更多状态可用于计算。

然而，创建分子量子比特并非易事，因为必须严格控制这些额外的振动和旋转状态。除其他后果外，这意味着分子量子比特只能在超冷温度下存在，因为任何热量都会导致分子振动、旋转和平移，以至于它们退相干——这意味着它们失去了量子性质和执行计算的能力。

这项最新研究由美国普林斯顿大学的Lawrence Cheuk领导，由哈佛大学的John Doyle和Kang-Kuen Ni独立领导，与麻省理工学院的Wolfgang Ketterle和高丽大学的Eun-mi Chae一起，专注于一氟化钙分子。因为氟化物是电子的强吸引子，所以这些分子具有高度极性，这使得两个分子的相对两侧通过一种称为偶极自旋交换的机制进行吸引和相互作用。

这种相互作用使分子纠缠在一起，这意味着无论它们之间的距离如何，它们的量子态都是相连的。然后可以将信息编码到纠缠分子的旋转状态以创建双量子比特门，这是量子计算的构建块之一。

为了实现他们的双量子比特门，两个小组首先将CaF分子激光冷却到微开尔文温度，并使用光镊子创建20-40个单独捕获的分子阵列。在这一点上，普林斯顿大学的研究小组采取了额外的步骤，通过去除空的镊子位点，使其分子阵列没有缺陷。然后，两组将成对的分子带到彼此的微米范围内，并允许它们相互作用。为了避免退相干，两组选择一组特别有利的旋转态来编码他们的量子比特，并应用微波脉冲将分子与与环境相互作用引起的扰动解耦。

通过精确控制分子的相互作用时间，这两个小组实现了一个双量子比特门，使分子进入所谓的贝尔态。这些状态是最大程度纠缠的，普林斯顿大学和哈佛-麻省理工学院的团队分别以0.54和0.89的保真度创建了它们。

普林斯顿大学的研究人员进一步表明，这种纠缠是确定性地产生的，并通过表明即使分子分开它们也能保持相干来证明贝尔态的鲁棒性。与此同时，哈佛-麻省理工学院的合作者证明他们可以控制分子的旋转状态。通过将分子旋转90度，他们表明它们可以改变分子从反铁磁到铁磁的相互作用，反之亦然。这种控制水平使得探测分子间相互作用成为可能，这对于模拟凝聚态系统非常有用。至关重要的是，两个团队都成功地创建了一个最大纠缠的双量子比特门，当与单量子比特旋转相结合时，足以用于通用量子计算。

下一步，Doyle说，他的合作已经实施了一种称为拉曼边带冷却的强大技术，以进一步冷却分子，将它们推向限制它们的光学镊子阵列的运动基态。这些较低的温度应该允许偶极相互作用的相干时间更长。该合作还计划纠缠更复杂的分子，如CaOH和SrOH。“在纠缠这些多原子分子之前，我们已经制定了必要的里程碑，例如激光冷却并将它们加载到磁光阱中，以及创建CaOH分子的光镊阵列，”他告诉《物理世界》。

普林斯顿大学的Cheuk说，他的团队在不久的将来有几个计划。在技术层面上，该团队的待办事项清单包括提高分子的相干时间、制备分子量子比特的保真度以及双量子比特门的保真度。在科学方面，由于他们已经建立了制备和缠结单个分子的关键构建块，因此他们有兴趣使用他们的分子阵列作为模拟更大规模系统的新平台。“通常，这涉及量子多体系统，可以描述不同材料的行为，”他说。

英国杜伦大学的物理学家菲尔·格雷戈里没有参与任何一个团队的工作，他说，这两个实验都显示出对CaF分子的“非凡控制”。在他看来，他们最大的成就是直接观察两个分子之间的偶极自旋交换，他认为这对于在量子计算社区和研究超冷分子的科学家之间建立更牢固的联系非常重要。他说，下一步将是将状态准备和门操作的保真度提高到接近0.99甚至0.999，这是为量子计算提供可行的平台所需的值。他补充说，进一步冷却分子应该会提高这些可靠性，并显着提高栅极性能。

这两个实验在《科学》杂志的连续论文中进行了描述。