美國加州理工學(xué)院團隊在最新一期《科學(xué)》雜志上報告稱，首次在超冷原子體系中實現(xiàn)了“超糾纏”態(tài)。這一突破性成果標志著人類對這些原子的量子特性實現(xiàn)了前所未有的控制，或為量子計算以及旨在探索物理學(xué)基本問題的量子模擬開辟新路徑。

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

此次，團隊通過激光構(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零度的狀態(tài)，還首次將原子的運動狀態(tài)也納入量子信息編碼之中，將過去被視為噪聲的熱運動轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源。

圖片:344382_74d299ae-ddd9-456a-a556-b0f369124129copy.png

捕獲激光冷卻原子所需的一些實驗室設(shè)備

團隊先利用39束特定波長的激光光束（即光鑷），對一個個原子進行光學(xué)操控和冷卻，通過精準檢測和主動糾正溫度稍高的原子，使99%的原子達到“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動狀態(tài)，其振幅約為100納米，并進一步將原子的兩個振蕩狀態(tài)疊加形成量子“疊加態(tài)”。就像一個孩子在秋千上同時接受兩位家長從相反方向的推力，雖在宏觀世界中無法實現(xiàn)，但在量子尺度卻能成為現(xiàn)實。

在此基礎(chǔ)上，團隊將這些“搖擺”的原子兩兩糾纏，不僅使它們的運動狀態(tài)保持同步，還同步了它們的內(nèi)部電子能級狀態(tài)，即“超糾纏”態(tài)。

在基本糾纏態(tài)中，即使兩個粒子相隔甚遠，它們?nèi)员３株P(guān)聯(lián)。而在“超糾纏”態(tài)中，一對粒子的兩個特性也相互關(guān)聯(lián)。如果說基本糾纏態(tài)是兩個遠隔千里的朋友在同一天點了同樣的奶茶，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）中實現(xiàn)“超糾纏”態(tài)，此前該現(xiàn)象僅在無質(zhì)量的光子中得以實現(xiàn)。該成果不僅提升了每個原子所能承載的量子信息量，也為更緊湊、更高效的量子計算和量子存儲奠定了基礎(chǔ)。