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2023年12月7日

量子计算方法首次使用单个分子作为量子位

基于使用“光镊”操纵的分子的平台可能能够执行复杂的物理计算。

大卫·卡斯特尔韦奇

量子纠缠(插图)是支撑量子计算技术的效应之一。署名:彼得·尤里克/阿拉米

物理学家已经朝着用被称为光镊的激光设备捕获的单个分子构建量子计算机迈出了第一步。两个团队在12月7日的《科学》杂志上报告了他们的结果，在这两种情况下，都使成对的一氟化钙分子相互作用，从而使它们纠缠在一起——这对量子计算来说是一个至关重要的影响。

科罗拉多州玻尔得大学的物理学家亚当·坎夫曼说，这两篇论文构成了一个“里程碑式的成果”。"这为利用纠缠态增强分子钳阵列的潜在应用打开了大门."

20世纪90年代末，量子计算基本原理的一些初步演示使用了核磁共振机内溶液中的大量分子。从那以后，研究人员开发了各种其他的量子计算平台，包括超导电路和真空中的单个离子。这些物体中的每一个都被用作量子信息的基本单位，或量子位——经典计算机中比特的量子等价物。

在过去的几年中，另一个强有力的竞争者出现了，其中量子位由中性原子组成——与离子相反——用高度聚焦的激光束“镊子”捕获。

现在，两个独立的团队已经在使用分子代替原子的方法上取得了初步进展。其中一篇论文的合著者、新泽西州普林斯顿大学的物理学家Lawrence Cheuk说:“分子有更多的复杂性，这意味着它们提供了编码量子信息的新方法，也提供了它们相互作用的新方法。”。"这为处理量子信息提供了前所未有的方法."

非常酷的分子

这两项研究都使用了光镊阵列，每个光镊中捕获一个分子。通过激光技术，他们将分子冷却到几十微开尔文的温度，仅比绝对零度高百万分之一度。在这种状态下，分子几乎完全静止。他们的旋转可以停止，或者他们可以只以一个量子的旋转动量旋转，称为ħ——他们可能拥有的最小旋转速度。两个团队都使用非旋转分子来代表量子位的“0”状态，旋转分子来代表“1”。

一氟化钙是高度极性的——其电子携带的负电荷聚集到氟原子上，使分子的钙端带净正电荷。研究人员可以通过“感觉”彼此的正负极来诱使两个一氟化钙分子相互作用。“分子的偶极相互作用给了我们一个额外的调谐钮，”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的物理学家约翰·多伊尔说，他是另一篇论文的合著者。

通过这种方式，该团队能够证明分子变得纠缠在一起，这意味着它们形成了一个集体量子系统。这是量子计算机运行算法所需要的。

研究人员说，对于大多数应用来说，分子量子计算机将比使用其他类型量子位的计算机慢。但是分子可以是一个自然环境，在其中使用“量子”来操纵量子信息，量子有三种可能的状态:1、0和+1。Qutrits可以提供一种方法来对复杂材料或基本物理力进行量子模拟。

道尔补充说，这些进展也有助于使用捕获的分子进行高精度测量，从而揭示新基本粒子的存在。

英国杜伦大学的物理学家汉娜·威兰说，这项工作“突出了这个领域发展的惊人速度”。“凭借这一成就，他们表明分子将成为具有竞争力的量子模拟平台的基础。”