值得一提的是，普林斯顿大学的一组物理学家已经能够将单个分子连接在一起，形成量子力学“纠缠”的特殊状态。在这些奇异的状态下，这些分子彼此保持关联，并且可以同时相互作用，即使它们相距数英里，或者即使它们占据了宇宙的两端。这项研究发表在最新一期的 《科学》杂志上。

普林斯顿大学研究团队成员。从左至右依次为物理学系助理教授Lawrence Cheuk、电机工程系研究生Yukai Lu和物理学系研究生Connor Holland。 摄影：Richard Soden，物理系

“由于量子纠缠的根本重要性，这是分子世界的突破，”普林斯顿大学物理学助理教授、该论文的资深作者Lawrence Cheuk说。“但这也是实际应用的一个突破，因为纠缠分子可以成为许多未来应用的基石。

例如，这些计算机可以比传统计算机更快地解决某些问题，量子模拟器可以模拟行为难以建模的复杂材料，以及可以比传统计算机更快地测量的量子传感器。

“做量子科学的动机之一是，在实际世界中，事实证明，如果你利用量子力学定律，你可以在许多领域做得更好，”物理系研究生康纳霍兰德（Connor Holland）说。

量子器件优于经典器件的能力被称为“量子优势”。量子优势的www.196nk.cn核心是叠加和量子纠缠的原理。虽然经典计算机比特可以假设 0 或 1 的值，但称为量子比特的量子比特可以同时处于 0 和 1 的叠加状态。

后一个概念，纠缠，zZaUCg是量子力学的主要基石。当两个粒子彼此密不可分地联系在一起时，就会发生这种情况，因此即使一个粒子与另一个粒子相距数光年，这种联系仍然存在。阿尔伯特爱因斯坦（Albert Einstein）起初质疑其有效性，他将这种现象描述为“远距zZaUCg离的幽灵般的行为”。从那时起，物理学家已经证明，纠缠实际上是对物理世界以及现实结构的准确描述。

“量子纠缠是一个基本概念，”Cheuk说，“但它也是赋予量子优势的关键因素。

但是，建立量子优势和实现可控的量子纠缠仍然是一个挑战，尤其是因为工程师和科学家仍然不清楚哪种物理平台最适合创建量子比特。在过去的几十年里，许多不同的技术——如俘获离子、光子、超导电路等——已被探索为量子计算机和设备的候选者。最佳的量http://www.196nk.cn子系统或量子比特平台很可能取决于具体的应用。

然而，在这项实验之前，分子长期以来一直无视可控的量子纠缠。但Cheuk和他的同事们找到了一种方法，通过在实验室中仔细操作，控制单个分子并将它们哄骗到这些互锁的量子态中。他们还认为，分子具有某些优势，例如与原子相比，这使得它们特别适合量子信息处理和复杂材料的量子模拟中的某些应用。例如，与原子相比，分子具有更多的量子自由度，并且可以以新的方式相互作用。

“实际上，这意味着有存储和处理量子信息的新方法，”电气和计算机工程研究生、该论文的合著者Yukai Lu说。“例如，一个分子可以在多种模式下振动和旋转。因此，您可以使用其中两种模式对量子比特进行编码。如果分子种类是极性的，那么即使在空间上分开时，两个分子也可以相互作用。

尽管如此，由于分子的复杂性，分子已被证明难以在实验室中控制。使它们具有吸引力的自由度也使它们难以在实验室环境中控制或围栏。Cheuk和他的团队通过一项经过深思熟虑的实验解决了其中的许多挑战，该实验涉及一个被称为 “镊子阵列”的复杂实验平台，其中单个分子被一个复杂的紧密聚焦的激光束系统拾取，即所谓的“光镊”。

“将分http://www.196nk.cn子用于量子科学是一个新领域，我们对按需纠缠的演示是证明分子可以用作量子科学的可行平台的关键一步，”Cheuk说。

在同一期 《科学》杂志上发表的另一篇文章中，由哈佛大学的John Doyle和Kang-Kuen Ni以及麻省理工学院的Wolfgang Ketterle领导的独立研究小组也取得了类似的结果。

“他们得到相同结果的事实验证了我们结果的可靠性，”Cheuk说。“他们还表明，分子镊子阵列正在成为量子科学的一个令人兴奋的新平台。

Connor M. Holland、Yukai Lu 和 Lawrence W. Cheuk 合著的“On-Demand Entanglement of Molecules in a Reconfigurable Optical Tweezer Array”于 2023 年 12 月 8 日发表在《科学》杂志上，（DOI： 10.1126/science.adf4272）。这项工作得到了普林斯顿大学、美国国家科学基金会（2207518）和斯隆基金会（FG-2022-19104）的支持。