中科大林毅恒团队Nature：分子和原子之间的量子纠缠

来源：纳米人

第一作者：林毅恒

通讯作者：林毅恒第一单位：中国科学技术大学

背景在传统的信息处理过程中信息在不同物理载体之间进行处理、存储和传输，物理载体携带的量子信息很有可能同样进行基础物理处理、存储和传输过程。量子控制的分子能够在较广的频率（千赫~吉赫~太赫）中传输量子比特相关信息。

成果简介

近日，中国科学技术大学林毅恒等对处于旋转状态的40CaH+分子离子和40Ca+原子离子内部状态之间实现了量子纠缠。作者采用量子逻辑光谱测试中的方法用于实现分子离子的纯态初始化，激光操纵和状态读出。 作者发现分子离子和原子离子通过Coulomb耦合运动量子相干过程实现了纠缠态的调控。在量子位频率分别为13.4千赫或855吉赫兹中进行了测试，显示了较好的分子量子位多功能性。 图1. 实验示意图。

要点1：量子调控体系将40Ca+和40CaH+共困（co-trap）在线性Paul trap中，通过激光冷却方法对40Ca+进行冷冻，具体通过在共振频率附近的激光对各种原子跃迁运动模式抑制，通过397 nm光抑制了分子离子在S1/2和P1/2态之间的运动，通过866 nm和854 nm的激光阻止D3/2和D5/2态。在各种运动被阻止后，通过电磁诱导透明冷却制备基态轴向模式（0.36 mT的静止磁场）和边带冷却运动，为了实现边带冷却通过滞后45 μs的729 nm激光诱导纠缠态。使用1051 nm的光纤激光器作为光源，并产生两束850 nm的光频梳激光。简单来说，通过冷冻和激发，得到CaH+单维度的转动态，随后通过激光激发，使CaH+和Ca+之间产生可测的量子纠缠态，实现了Ca+原子跃迁到激发态，并对该纠缠过程测试。

图2. 能量图与激光激发。

要点2：检测方法通过397 nm的激光和866 nm的激光检测荧光信号，光电倍增管（a photomultiplier tube，PMT）检测原子的光子散射信号。

图3. 纠缠态的奇偶宇称校验测量。

小结本文的工作展示了分子能够通过量子调控方法在不同的频段中进行量子信息传输，构建了复杂的量子传输系统。作者展望认为，这种对分子的量子调控方法可能应用在量子传感器、基础和应用物理学、量子控制化学中。

参考文献：Yiheng Lin, et al. Quantum entanglement between an atom and a molecule，Nature 2020, 581, 273-277DOI：10.1038/s41586-020-2257-1