量子运动调控与超纠缠

这项工作中一个令人困扰的因素一直是原子的正常抖动运动，这使得系统更难控制。如今，该团队在《科学》杂志上报告称，他们已经改变了思维方式，利用这种原子运动来编码量子信息——这是量子技术背后的一个基础过程。

"我们证明了原子运动通常被视为量子系统中不必要的噪声源，但可以转化为一种优势，"该研究的共同第一作者 Adam Shaw (PhD '24) 说道，另外两位共同第一作者是 Pascal Scholl 和 Ran Finkelstein。Shaw 在这些实验期间曾是加州理工学院的研究生，现在是斯坦福大学的博士后学者。Scholl 曾在加州理工学院担任博士后，现在量子计算公司 Pasqal 工作。Finkelstein 曾获得加州理工学院 Troesh 博士后奖研金，现在是特拉维夫大学的教授。

最终，该实验不仅将量子信息编码在原子运动中，还导致了一种被称为超纠缠的状态。在基础纠缠中，两个粒子即使相隔遥远距离也保持连接。当研究人员测量粒子的状态时，他们观察到这种关联：例如，如果一个粒子处于自旋向上状态（角动量方向朝上），另一个粒子将总是自旋向下。

在超纠缠中，粒子对的两个特性相互关联。打个简单的比方，这就像一对出生时就被分开的双胞胎拥有相同的名字和相同类型的汽车：这两种特征在双胞胎之间是相关联的。在这项新研究中，Endres 和他的团队能够使原子对发生超纠缠，使得它们的个体运动状态和个体电子态——它们的内部能级——在原子之间相互关联。更重要的是，这一实验演示意味着更多的特征可以同时被纠缠。

"这使我们能够在每个原子上编码更多的量子信息，" Endres 解释道。"你可以用更少的资源获得更多的纠缠。"

该实验首次在大质量粒子（如中性原子或离子）中演示了超纠缠（早期的演示使用的是光子）。

在这些实验中，该团队冷却了被束缚在光学镊子内的单个碱土族中性原子阵列。他们展示了一种新颖的冷却方式，通过"检测并随后主动修正热运动激发"，Endres 说道，他将其与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦著名的 1867 年思想实验相比，该实验设想了一个恶魔在腔室中测量并分类粒子。"我们本质上测量每个原子的运动，并根据结果施加操作，逐个原子进行，类似于麦克斯韦妖。"

这种方法优于最著名的激光冷却技术，使原子几乎完全静止下来。

从那里，研究人员诱导原子像摆动的钟摆一样振荡，但其振幅约为 100 纳米，比一根人类头发的宽度还要小得多。他们能够让原子同时激发两种不同的振荡，使运动处于叠加态。叠加态是一种量子态，在这种状态下，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。

"你可以把在这种叠加态下移动的原子想象成一个在秋千上的孩子，两侧相对的两位父母同时推动他，" Endres 说。"在我们的日常世界中，这肯定会引发父母冲突；但在量子世界中，我们却可以显著地利用这一点！"

然后，他们将单个摇摆的原子与伙伴原子纠缠起来，在几微米的距离上创建了相关的运动状态。在原子被纠缠之后，团队再使它们发生超纠缠，使得原子的运动和电子状态都相互关联。

"基本上，这里的目标是突破我们能控制这些原子的极限，" Endres 说。"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，而现在我们学会了如何整体控制原子的外部运动。这就像一个你已经完全掌握的原子玩具。"

这些发现可能带来执行量子计算的新方法，以及旨在探索物理学基本问题的量子模拟。"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，" Endres 表示。