科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

美國(guó)加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在最新一期《科學(xué)》雜志上報(bào)告稱，首次在超冷原子體系中實(shí)現(xiàn)了“超糾纏”態(tài)。這一突破性成果標(biāo)志著人類對(duì)這些原子的量子特性實(shí)現(xiàn)了前所未有的控制，或?yàn)榱孔佑?jì)算以及旨在探索物理學(xué)基本問(wèn)題的量子模擬開辟新路徑。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，研究人員一直在努力利用激光和電磁力使原子達(dá)到超冷狀態(tài)，但在這些實(shí)驗(yàn)中，仍有一些原子相對(duì)較熱，或者由于實(shí)驗(yàn)中的微小缺陷而吸收了少量熱量。

此次，團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光構(gòu)建的“光鑷”技術(shù)，不但成功冷卻了中性鍶原子陣列至接近絕對(duì)零度的狀態(tài)，還首次將原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也納入量子信息編碼之中，將過(guò)去被視為噪聲的熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源。

團(tuán)隊(duì)先利用39束特定波長(zhǎng)的激光光束（即光鑷），對(duì)一個(gè)個(gè)原子進(jìn)行光學(xué)操控和冷卻，通過(guò)精準(zhǔn)檢測(cè)和主動(dòng)糾正溫度稍高的原子，使99%的原子達(dá)到“極冷”狀態(tài)。這種創(chuàng)新性方法甚至優(yōu)于現(xiàn)有最先進(jìn)的激光冷卻技術(shù)。

隨后，他們將這些處于極冷狀態(tài)的原子激發(fā)為類似鐘擺振蕩的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其振幅約為100納米，并進(jìn)一步將原子的兩個(gè)振蕩狀態(tài)疊加形成量子“疊加態(tài)”。就像一個(gè)孩子在秋千上同時(shí)接受兩位家長(zhǎng)從相反方向的推力，雖在宏觀世界中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但在量子尺度卻能成為現(xiàn)實(shí)。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)將這些“搖擺”的原子兩兩糾纏，不僅使它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持同步，還同步了它們的內(nèi)部電子能級(jí)狀態(tài)，即“超糾纏”態(tài)。

在基本糾纏態(tài)中，即使兩個(gè)粒子相隔甚遠(yuǎn)，它們?nèi)员３株P(guān)聯(lián)。而在“超糾纏”態(tài)中，一對(duì)粒子的兩個(gè)特性也相互關(guān)聯(lián)。如果說(shuō)基本糾纏態(tài)是兩個(gè)遠(yuǎn)隔千里的朋友在同一天點(diǎn)了同樣的奶茶，那么“超糾纏”態(tài)就像是他們不僅奶茶口味一致，連甜度和冰塊的選擇也自動(dòng)匹配。

這是科學(xué)界首次在有質(zhì)量的粒子（如中性原子或離子）中實(shí)現(xiàn)“超糾纏”態(tài)，此前該現(xiàn)象僅在無(wú)質(zhì)量的光子中得以實(shí)現(xiàn)。該成果不僅提升了每個(gè)原子所能承載的量子信息量，也為更緊湊、更高效的量子計(jì)算和量子存儲(chǔ)奠定了基礎(chǔ)。