传统的信息处理器会将信息在不同物理载体中倒腾，这些载体可以是伴随计算机科学一路走来的各种存储设备，例如磁盘、光盘以及闪存等等。
同样的，量子信息技术也涉及信息在不同载体之间的操作。只不过承载量子信息的载体就有些不同了，科学家们通常采用量子系统承载信息，而量子系统的不同量子态就是信息的最终表达方式。
最简单的量子系统是一个量子比特（qubit），一般有两个状态——“0” 和 “1”，但是不同于经典数位状态只编码两种信息，一个二状态量子比特实际上可在任何时间为两个状态的叠加态，也就是说可以编码很多信息，而这也是量子比特能够承载更多信息的缘由。
就最新的发展来看，由单原子和单分子构成的复合型量子纠缠系统已经诞生，对未来考虑使用分子进行量子信息处理产生推动作用。
这项工作的论文在线发表于学术期刊 Nature 上，由中美科学家联合完成，题为 “Quantum entanglement between an atom and a molecule”。论文第一作者与通讯作者、中国科学技术大学物理学院近代物理系教授林毅恒，曾师从 2012 年诺贝尔物理奖得主 David Wineland 教授，并于美国国家标准技术研究所担任访问研究员。
（来源：Nature）
首次原子和分子之间的量子纠缠
文中不但介绍了迄今为止最小的量子系统——单原子量子比特和单分子量子比特的制作，并介绍了如何在其中建立量子纠缠。最终实验检测的结果显示，该系统的量子纠缠可靠性已经超过阈值，着实让人眼前一亮。
以单原子和单分子作为量子系统，其实存在很大难度和风险，更别说还要在其中建立高可靠性的量子纠缠了。
那研究团队为何还想要采用这样的量子系统？
原因在于，若采用单原子或单分子作为量子系统，能够在其中进行高频率范围的信息编码，其量子比特频率的范围能从几千赫兹到几百太赫兹。
物理层上来说，单原子或者单分子量子比特呈现的频率与其量子态的跃迁（transition）有关。在高中物理课本上的氢原子光谱是氢原子内的电子在不同能级跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱，根据频率与波长的公式我们不难算出，其频率在几百太赫兹的范围。
（来源：Nature）
也就是说，仅仅靠单原子的跃迁谱线并不足以拓展量子比特的频率范围。
研究团队别出心裁地将单分子的震动和转动自由度加入 “战局”，具体来说将引入 “超精细跃迁”（ hyperfine transitions，几个 G 赫兹） ，“转动跃迁”（rotational transitions，几个太赫兹）以及 “分子中电子振动跃迁”（vibrational and electronic transitions，几百个太赫兹），成功将量子比特的频率范围变宽。
他们采用 Ca + 离子和 CaH + 离子作成量子比特，并在 Ca + 离子的量子态和 CaH + 离子转动跃迁之间建立量子纠缠。这就形成了一个复合的量子纠缠系统，除了有广阔量子比特频率范围的优点之外，还能在量子纠缠的两侧得到不同的量子比特频率，也就是存在两侧信号不一样的性质，从而为制造特殊的量子器件和量子传感器提供可能。
举个最简单的例子，我们熟悉的三极管或者放大器就是拥有输入输出端信号幅值不同这样的性质，并且有着十分广泛的应用，同理，传感器的原理也是将声、光、热、力等信号转化成为电信号。
量子信息技术新方向
量子纠缠建立的本质就是建立两个量子系统之间的联系，而单原子和单分子之间应该如何建立联系？
团队找到最直接的方式——库仑力。
两个正离子建立量子比特，联系两个正离子最普通的方式就是它们之间的库仑力，表现为斥力。具体而言，研究团队先将 Ca + 离子和 CaH + 离子用 Paul 离子势阱共同限制在一起，两个离子之间的库仑力就会将它们各自的运动联系在一起，一旦一个量子比特的状态发生改变，那么另一个的量子状态也会发生改变。
接着，研究团队进行了量子纠缠的验证。他们在将 Ca + 离子的量子态和 CaH + 离子的量子态初始化之后，采用 729nm 的激光改变 Ca + 离子的量子态，并采用特殊方式读取 CaH + 离子的量子态变化。
结果显示，CaH + 离子的量子态发生了 13.4kHz 和 855GHz 的跃迁变化，并且相应取得了 0.87 和 0.76 的高可靠性，表明量子纠缠已经成功建立。
此外，值得一提的是，研究团队在建立量子比特和量子纠缠中，采用了如今最先进的激光冷却、俘获以及原子分子量子态可控技术，并都取得相应突破。
团队也在文中还提到，未来的研究如果要进一步提高量子纠缠可靠性，可以从优化基态冷却以及减少外界环境微扰的角度去开展工作，例如提高真空度及减小外加磁场的波动等等。
团队实现了一个复合型的量子纠缠系统，体现了其在量子信息技术中的尖端技术的成熟把控，也将对于未来的量子信息科学研究、量子传感器及相关器件研究、基础和应用物理研究，以及可控量子化学研究有重要意义。
将原子和分子做成量子比特，并在它们之间建立量子纠缠确实开创了量子信息技术的又一个研究方向，也许会成为该领域研究的新热点。
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责编：黄珊
参考：
[1] Quantum entanglement between an atom and a molecule[J]. Nature. 581, pages273–277(2020).
[2] Preparation and coherent manipulation of pure quantum states of a single molecular ion[J]Nature. 545, pages203–207(2017).
来源：oschina
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