近日，美国加州理工学院研究团队通过“光镊”对单个原子进行精细控制，首次在超冷原子中实现“超纠缠”量子态，相关研究成果发表于《Science》期刊中。
Manuel Endres是加州理工学院的物理学教授，他擅长使用一种名为光学镊子的设备来精细操控单个原子。他和他的同事们利用由激光制成的光学镊子，在原子阵列中操纵单个原子，以研究量子系统的根本特性。他们的实验带来了诸多进展，其中包括为简单量子机器纠错的新技术；一种有望成为世界上最精确时钟的新型装置；以及一个创纪录的量子系统，该系统能够控制超过6000个单独的原子。
在这项工作中，一直令人困扰的一个因素是原子的正常抖动运动，这使得系统更难以控制。如今，该团队的研究成果中，巧妙地将这一问题转化为解决方案，利用原子的运动来编码量子信息，这是量子技术发展的必要步骤。
“我们证明，通常被视为量子系统中不受欢迎的噪声来源的原子运动，可以被转化为一种优势，”研究的共同第一作者Adam Shaw（2024年博士毕业）表示。Shaw在加州理工学院攻读研究生期间参与了这些实验，目前是斯坦福大学的博士后学者。另一位共同第一作者Pascal Scholl曾在加州理工学院担任博士后，目前在量子计算公司Pasqal工作。共同第一作者Ran Finkelstein曾获得加州理工学院的特罗什博士后奖，并在该校从事研究工作，目前是以色列特拉维夫大学的教授。
最终，该实验不仅在原子的运动中编码了量子信息，还实现了一种被称为超纠缠（hyper-entanglement）的状态。在基本的纠缠中，两个粒子即使相隔很远的距离仍然保持连接。当研究人员测量粒子的状态时，他们会观察到这种关联：例如，如果一个粒子处于称为自旋向上（角动量方向朝上）的状态，另一个粒子则总是处于自旋向下的状态。
在超纠缠中，一对粒子的两个特征是相互关联的。举个简单的类比，这就像是在出生时就被分开的一对双胞胎，他们不仅名字相同，而且拥有相同类型的汽车：这两个特征在双胞胎之间是相关的。在新的研究中，Endres和他的团队成功地实现了原子对的超纠缠，使得它们各自的运动状态和各自的电子态（内部能级）在原子之间相互关联。更重要的是，这一实验演示表明，甚至可以在同一时间纠缠更多的特征。
“这使我们能够在每个原子中编码更多的量子信息，”Endres解释道。“你可以用更少的资源获得更多的纠缠。”
该实验是首次在质量型粒子（例如中性原子或离子）中展示超纠缠（此前的展示使用的是光子）。
在这些实验中，研究团队将被光学镊子限制住的单个碱土金属中性原子阵列冷却下来。Endres表示，他们展示了一种新的冷却方式，即“检测并随后主动修正热运动激发”，他将其与James Clerk Maxwell在1867年提出的著名思想实验进行了比较，该实验中有一个“妖”可以测量并分拣容器中的粒子。“我们本质上是测量每个原子的运动，并根据结果逐个原子地施加操作，类似于Maxwell的“妖”。”
这种方法的性能超过了目前已知的最佳激光冷却技术，使原子几乎完全静止。
随后，研究人员诱导原子像摆动的钟摆一样振荡，但振幅大约只有100纳米，这比人类头发的宽度小得多。他们能够使原子同时激发成两种不同的振荡，从而使运动处于叠加态。叠加态是一种量子态，粒子可以同时表现出相反的特性，例如一个粒子的自旋可以同时处于向上和向下的状态。
“你可以把处于这种叠加态运动的原子想象成一个荡秋千的孩子，同时被两边的父母推，”Endres表示，“在我们日常的世界里，这肯定会引起父母之间的冲突；而在量子世界里，我们却可以惊人地利用这一点！”
接着，他们将这些各自摆动的原子与配对原子纠缠在一起，创造出跨越几微米距离的运动相关态。在原子纠缠之后，团队进一步以一种方式将它们超纠缠，使得原子的运动状态和电子态都相互关联。
“基本上，我们的目标是尽可能地拓展我们对这些原子的操控能力，”Endres表示，“我们实际上是在打造一个工具箱：我们已经知道如何控制原子内的电子，现在又学会了如何控制整个原子的外部运动。这就像是一个你已经完全掌握的原子玩具。”
这些发现可能会带来新的量子计算方法，以及用于探索物理学基本问题的量子模拟设计。“运动态可能成为量子技术的强大资源，从计算到模拟再到精密测量，”Endres表示。
这项名为“光学镊子中的擦除冷却、控制和运动的超纠缠”的新研究由美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会（NSF）的量子飞跃挑战研究所、加州理工学院量子信息与物质研究所（NSF物理前沿中心）等资助。其他作者包括加州理工学院研究生Richard Bing-Shiun Tsai和前加州理工学院博士后Joonhee Choi。
