近日，为了开发未来的新量子技术，科学家们正在探索几种不同的方法。其中一种途径是使用分子作为量子技术的基本构建块。现在，加州理工学院（California Institute of Technology）的科学家们已经找到了一种新方法，可以使用超快激光脉冲来实现一种重要的量子力学特性，即量子叠加态，从而将一个相对简单的分子转变成量子传感器——一种可以通过固有的量子手段测量周围化学现象的工具。
叠加态通常使用所谓的薛定谔猫思想实验来理解，该实验假设一个盒子里的猫可以同时处于既死又活的状态，直到有人对其进行观察或测量。同样，叠加态中的电子以多种可能的状态存在，每种状态都代表不同的结果，一旦进行观测，被观察到的不同状态的概率就不同。
量子比特，或简称为qubits的量子位，被视为许多量子技术的核心，即经典计算机（我们今天都使用的计算机）中比特的量子类比形式。然而，与经典比特不同的是，量子比特（可能是分子、原子、光子或电子，具体取决于量子计算/传感系统）可以展现出这种奇异的叠加现象。由于量子比特可以同时以多种状态存在，因此它们的计算能力相比经典比特呈现出指数级的增长。然而，通过与周围环境的相互作用，叠加态在被观测的瞬间会迅速坍缩成其多种状态中的一种，从而产生一项技术挑战，在量子计算机等设备完全实现之前必须克服这一挑战。
在最近发表在《Science》杂志上的一篇论文中，加州理工学院化学助理教授 Ryan G. Hadt 实验室的研究人员描述了如何将一类分子与飞秒光脉冲（持续时间仅为十亿分之几秒）结合使用，以测量室温下的叠加态实例。具体来说，他们展示了如何测量电子自旋叠加态，这是一种量子力学特性，它决定了由电子产生的磁场的方向。
“这项技术可以让你以前所未有的方式研究生物系统、材料或其他类型的化学过程，” Ryan G. Hadt 说。
这项工作由化学博士后学者 Erica Sutcliffe 领导，利用了一个相对简单的分子的电子结构：六氯铱酸钾（IV），K2IrCl6。
K2IrCl6 基本上是被六个对称分布的氯离子包围的铱离子，但它也是一个被称为顺磁性分子的例子，即具有未配对电子的分子。“在所有分子中，电子只能处于非常特定的状态，但是，在像这样高度对称的顺磁性分子中，这些状态的排列方式使我们能够有效地利用光来操纵电子自旋，”Sutcliffe解释道。
研究人员使用一种称为泵浦探针极化光谱的技术来创建并跟踪电子自旋的叠加态。它们用飞秒激光脉冲照射水中的K2IrCl6样品。该激光脉冲经过精心选择，具有特定的偏振（光的偏振表示传播的光波在振荡时相对于其行进方向的其它方向）。“如果我们选择正确的光偏振，处于平衡状态的普通分子将被置于自旋叠加态中，”Sutcliffe 说。激光脉冲将电子从一种状态移动到更高的能级状态或激发状态，从而产生叠加态。
在几分之一秒后，研究人员将另一个较弱的激光脉冲穿过样品，并测量光的偏振状态如何变化。通过继续以这种方式进行测量，他们可以确定电子在回到初始状态之前保持叠加状态的时间。
“并不是任何分子都能用于进行这种测量，”哈特实验室的研究生、本文的共同作者Nathanael P. Kazmierczak说。“所以这里有两个关键的见解：一是开发精密测量仪器，二是找到能够与此类仪器配合使用的分子的电子结构。”
虽然加州理工学院的团队已经证明具有顺磁性的分子可以通过这种方式引发和测量电子自旋叠加，但Sutcliffe表示，这种分子特性并非 K2IrCl6 所独有。“我们认为我们发现的特殊分子不是最好的选择，”她说。“它仅仅是这些系统中一类全新的量子特性分子探针的一个例子。”
除了可用于研究叠加及其可以维持多长时间外，这些分子还可以用作量子传感器。例如，电子叠加状态对分子周围环境的各种化学属性都很敏感，比如分子周围环境的粘度，或者产生自身磁场的共同原子核的存在。
Sutcliffe说，这种方法的简单性也使其具有广泛的适用性。“因为我们在这项技术中仅使用激光脉冲，而不必像采用其他方法那样使用非常大的磁铁或微波，所以我们可以在非常非常快的时间尺度上进行测量，也可以在小尺寸尺度上进行测量。这意味着我们有可能使用这项技术进行显微镜观测，这在以前是无法实现的，从而帮助我们开启了对生物系统中以前尚未被充分探索的领域的研究。
此外，该团队表示，有可能使用电子叠加来识别蛋白质中的单个突变。“鉴于叠加对其他原子核空间分布的敏感性，我们有理由对蛋白质结构和氨基酸组成如何影响自旋叠加产生质疑? ” Sutcliffe说 “如果我们能够对此有所了解，那么也许就能够提供有关蛋白质中是否存在某些癌变的证据。”
这篇题为《室温下水溶液中分子电子自旋的超快全光学相干性》的论文以于11月7日发表在《Science》杂志上。这项工作得到了赫兹奖学金和美国国家科学基金会研究生研究奖学金以及美国能源部原子、分子和光学科学计划的资助。
