控制量子运动与超纠缠

这项研究工作中一个长期困扰的因素是原子的正常热抖动，它使得系统更难控制。如今，该团队在《科学》杂志上发表的报告彻底翻转了这个问题，并利用这种原子运动来编码量子信息——这是量子技术的基础过程。

“我们证明了原子运动——在量子系统中通常被视为有害噪声的来源——可以转化为优势，”该研究的共同第一作者Adam Shaw（2024届博士）说道，其他共同第一作者还有Pascal Scholl和Ran Finkelstein。Shaw在进行这些实验时是加州理工学院的博士生，现为斯坦福大学博士后研究员。Scholl曾在加州理工学院担任博士后，现就职于量子计算公司Pasqal。Finkelstein曾获加州理工学院Troesh博士后奖学金，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，还产生了一种称为超纠缠（hyper-entanglement）的状态。在基础纠缠中，两个粒子即使相隔遥远仍保持关联。当研究人员测量粒子状态时，他们会观察到这种相关性：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），另一个粒子必然自旋向下。

在超纠缠中，粒子对的两个特性彼此关联。举个简单的类比：这就像一对出生即分离的双胞胎拥有相同的名字和相同型号的汽车——两种特质在双胞胎之间相互关联。在这项新研究中，Endres及其团队实现了原子对的超纠缠，使得原子个体间的运动状态和电子态（其内部能级）相互关联。更重要的是，该实验演示意味着更多特质可以同时被纠缠。

“这使我们能在每个原子上编码更多量子信息，”Endres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）中演示了超纠缠（早期演示使用光子）。

在这些实验中，团队将限制在光镊内的单个碱土金属中性原子阵列冷却。他们展示了一种通过“检测并主动修正热运动激发”实现的新型冷却方式，Endres将其与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1867年著名的思想实验（利用恶魔在容器内测量并分类粒子）相类比。“我们本质上测量每个原子的运动并依据结果施加操作，逐原子处理，类似于麦克斯韦妖。”

该方法性能超越了最先进的激光冷却技术，使原子近乎完全静止。

随后，研究人员诱导原子像钟摆般振荡，但振幅仅约100纳米——远小于人类头发宽度。他们成功使原子同时激发两种不同的振荡，令运动处于叠加态。叠加态是粒子同时展现相反特性的量子状态，如同粒子自旋同时向上又向下。

“你可以想象处于这种叠加态的原子运动，就像荡秋千的孩子同时被两侧父母推动，”Endres说，“在我们的日常世界，这必然引发家长冲突；但在量子世界，我们竟能巧妙利用这种现象！”

接着，他们将单个摆动原子与配对原子纠缠，在数微米距离上创建了运动关联态。原子纠缠后，团队进一步实现超纠缠，使原子的运动状态和电子态均相互关联。

“本质上，这里的目标是突破我们操控这些原子的极限，”Endres表示，“我们正在构建工具箱：已知如何控制原子内部电子，如今又掌握了操控原子整体外部运动的方法。这就像你已完全掌控的原子玩具。”

该发现可为量子计算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，涵盖计算、模拟到精密测量领域，”Endres强调。