操控量子运动与超纠缠

这项工作中一个长期存在的棘手因素是原子的正常抖动运动，这使得系统更难以控制。如今，该团队在《科学》Science期刊上发表的报告中扭转了这个问题，利用这种原子运动来编码量子信息——这一过程是量子技术的基础。

"我们证明，原子运动——通常被视为量子系统中不需要的噪声源——可以转化为优势，"该研究的共同第一作者亚当·肖（Adam Shaw，博士'24届）表示，与他并列的还有帕斯卡尔·肖尔（Pascal Scholl）和兰·芬克尔斯坦（Ran Finkelstein）。肖在这些实验期间曾是加州理工学院的研究生，现为斯坦福大学博士后学者。肖尔曾在加州理工学院担任博士后，目前在量子计算公司Pasqal工作。芬克尔斯坦曾获加州理工学院特罗斯（Troesh）博士后杰出奖学金，现为特拉维夫大学教授。

最终，该实验不仅将量子信息编码在原子运动中，还导致了一种称为超纠缠的状态。在基本纠缠中，两个粒子即使相隔遥远距离仍保持关联。当研究人员测量粒子状态时，会观察到这种关联：例如，如果一个粒子处于自旋向上状态（角动量方向指向上方），另一个粒子将始终自旋向下。

在超纠缠中，粒子对的两个特性相互关联。简单的类比就像一对出生时被分开的双胞胎不仅拥有相同的名字，还开着相同类型的汽车：两种特质在双胞胎之间相关联。在这项新研究中，恩德雷斯（Endres）及其团队成功使成对原子实现超纠缠，使得它们的个体运动状态及其个体电子态——内部能级——在原子间相互关联。更重要的是，这一实验演示意味着更多特质可以同时被纠缠。

"这使得我们能够在每个原子上编码更多量子信息，"恩德雷斯解释道，"用更少的资源获得更强的纠缠。"

该实验首次在质量粒子（如中性原子或离子）中实现了超纠缠展示（此前的展示使用光子）。

在这些实验中，团队将限制在光学镊子内的单个碱土金属中性原子阵列冷却。恩德雷斯表示，他们展示了一种通过"探测并随后主动修正热运动激发"实现的新型冷却方式，并将其类比于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）1867年著名的思想实验——该实验设想了一个在容器内测量并分类粒子的恶魔。"我们本质上测量每个原子的运动，并根据结果逐个原子施加操作，类似于麦克斯韦妖。"

该方法使原子几乎达到完全静止的状态，其性能超越了最著名的激光冷却技术。

随后，研究人员诱导原子像钟摆一样振荡，但振幅仅为约100纳米，远小于人类头发宽度。他们能够使原子同时激发两种不同的振荡，导致运动处于叠加态。叠加态是一种量子态，其中粒子同时表现出相反的特性，就像粒子的自旋同时向上和向下。

"你可以把处于这种叠加态的原子的运动想象成一个荡秋千的孩子，同时被两侧的父母推动，"恩德雷斯说，"在日常世界中这肯定会引发父母冲突；但在量子世界，我们却能巧妙地利用这种现象！"

接着，他们将单个振荡的原子与伙伴原子纠缠，在数微米的距离上创建了关联的运动状态。原子纠缠后，团队进而实现超纠缠，使得原子的运动和电子态都相互关联。

"从根本上说，这里的目标是突破我们控制这些原子的极限，"恩德雷斯表示，"我们本质上是在构建一个工具箱：我们已知如何控制原子内的电子，现在我们学会了如何控制整个原子的外部运动。这就像一个被你完全掌握的原子玩具。"

该发现可能为量子计算以及旨在探索物理学基本问题的量子模拟开辟新途径。"运动态可能成为量子技术的强大资源，从计算到模拟再到精密测量，"恩德雷斯总结道。