物理学家越来越多地使用超冷分子来研究物质的量子态。许多研究人员认为，分子比其他替代品(例如捕获离子、原子或光子)具有优势。这些优点表明分子系统将在新兴量子技术中发挥重要作用。但是，由于在量子体系中制备、控制和观察分子方面长期存在的挑战，分子系统的研究暂时只取得了进展。

现在，正如《自然》杂志最近发表的一篇论文所记载的那样，普林斯顿大学的研究人员通过微观研究分子气体取得了重大突破，达到了以前研究从未达到的水平。由物理学副教授WaseemBakr领导的普林斯顿大学团队能够将分子冷却至超冷温度，将它们加载到称​​为光学晶格的人造光晶体中，并以高空间分辨率研究它们的集体量子行为，以便可以观察到每个单独的分子。

“我们将气体中的分子制备成明确的内部运动量子态。分子之间的强烈相互作用产生了我们首次检测到的微妙的量子相关性，”Bakr说。

该实验对基础物理研究具有深远的影响，例如多体物理学的研究，它着眼于相互作用的量子粒子系综的涌现行为。该研究还可能加速大规模量子计算机系统的开发。

为了构建大规模量子系统，无论是为了量子计算还是为了更一般的科学应用，研究人员使用了各种不同的替代方案——从捕获的离子和原子到限制在“量子点”中的电子。目标是将这些不同的替代方案转化为所谓的量子位，这是量子计算机系统的构建块。量子计算机比经典计算机系统具有更大的计算能力和容量(呈指数级增长)，并且可以解决经典计算机难以解决的问题。

尽管到目前为止还没有任何一种类型的量子位成为领跑者，但Bakr和他的团队认为，分子系统虽然比其他平台探索得较少，但具有特殊的前景。

在实验环境中使用分子(尤其是作为潜在的量子位)的一个重要优势是，分子可以以单个原子无法使用的大量新方式存储量子信息。例如，即使对于仅由两个原子组成的简单分子(可以将其可视化为一个小哑铃)，量子信息也可以存储在哑铃的旋转运动或其组成原子相对于彼此的振动中。分子的另一个优点是它们通常具有长程相互作用。它们可以与光学晶格中许多位点之外的其他分子相互作用，而原子只有在占据相同位点时才能相互作用。

当使用分子研究多体物理学时，这些优势有望使研究人员能够在这些合成系统中探索令人着迷的新物质量子相。然而，贝克尔和他的团队在这个实验中能够克服的一个主要问题是这些量子态的微观表征。

“在单个分子水平上探测气体的能力是我们研究的新颖之处，”巴克尔说。“当你能够观察单个分子时，你可以提取有关多体系统的更多信息。”

Bakr所谓的提取更多信息，是指能够观察和记录表征量子态分子的微妙相关性，例如它们在晶格中的位置或旋转状态的相关性。

“研究人员之前已经在超冷状态下制备了分子，但他们无法测量它们的相关性，因为他们看不到单个分子，”普林斯顿大学物理系研究生、该论文的共同主要作者JasonRosenberg说。纸。“通过观察每个单独的分子，我们可以真正表征和探索预期出现的不同量子相。”

虽然研究人员利用原子量子气体研究多体物理已经有二十多年了，但分子量子气体却更难驾驭。与原子不同，分子可以通过以多种不同方式振动和旋转来存储能量。这些不同的激发被称为“自由度”——它们的丰富度是使分子难以通过实验控制和操纵的特征。

“为了研究量子状态下的分子，我们需要控制它们的所有自由度，并将它们置于明确定义的量子力学状态，”巴克尔说。

研究人员首先将钠和铷两种原子气体冷却到以纳开尔文(纳开尔文)或十亿分之一开氏度为单位测量的令人难以置信的低温，从而实现了这种精确的控制水平。在这些超冷温度下，两种气体都会转变为一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态。在这种超冷环境中，研究人员诱导原子配对成处于明确定义的内部量子态的钠铷分子。然后他们使用激光将分子转移到绝对基态，其中分子的所有旋转和振动都被冻结。

为了保持分子的量子行为，它们被隔离在真空室中并保持在由光驻波组成的光学晶格中。

罗森伯格说：“我们将一组激光束干涉在一起，从而创造出一个类似于‘鸡蛋盒’的波纹状景观，分子位于其中。”

在实验中，研究人员在这个“鸡蛋盒”晶格中捕获了大约一百个分子。然后研究人员使系统失去平衡，并追踪强相互作用系统中发生的情况。

“我们突然‘推动’了这个系统，”该论文的共同主要作者、研究生莱桑德·克里斯塔基斯(LysanderChristakis)说。“我们允许分子相互作用并建立量子纠缠。这种纠缠反映在微妙的相关性中，而在微观层面上探测系统的能力使我们能够揭示这些相关性并了解它们。”