量子运动与超纠缠控制

这项工作中一个长期存在的困扰因素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Science期刊上报告称，他们已经彻底颠覆了这个问题，转而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——通常被视为量子系统中不需要的噪声源——可以转化为一种优势，"该研究的共同第一作者 Adam Shaw（博士'24）说道，他与Pascal Scholl和Ran Finkelstein共同领导了这项工作。Shaw在进行这些实验时曾是加州理工学院的研究生，现为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。在基本的纠缠中，即使两个粒子相隔遥远，它们仍保持关联。当研究人员测量粒子的状态时，他们会观察到这种关联：例如，如果一个粒子处于自旋向上态（角动量方向向上），另一个粒子将始终是自旋向下。

在超纠缠中，粒子对的两个特征是相互关联的。用一个简单的类比来说，这就像一对出生时就被分开的双胞胎，不仅拥有相同的名字，还拥有相同类型的汽车：两个特征在双胞胎之间是相关的。在这项新研究中，Endres和他的团队能够使成对的原子发生超纠缠，使得它们的个体运动状态和个体电子态——即它们的内能级——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。"用更少的资源获得更多的纠缠。"

该实验是首次在大质量粒子（如中性原子或离子）中演示超纠缠（此前的演示使用的是光子）。

在这些实验中，团队将限制在光学镊子中的单个碱土金属中性原子阵列冷却下来。Endres表示，他们展示了一种通过"检测并随后主动校正热运动激发"实现冷却的新颖方法，他将此与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦著名的1867年思想实验相比较，该实验设想了一个在腔室中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地施加操作，类似于麦克斯韦恶魔。"

该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。

随后，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，远小于人类头发的宽度。他们能够同时将原子激发到两种不同的振荡状态，使运动处于叠加态。叠加态是一种量子态，其中粒子同时表现出相反的特性，就像一个粒子的自旋同时处于向上和向下状态。

"你可以把一个处于这种叠加态的原子的运动想象成一个在秋千上的孩子，同时被站在两侧的父母推动，" Endres说。"在我们的日常世界中，这无疑会导致父母争执；但在量子世界，我们能显著地利用这一点！"

接着，他们将单个摆动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。在原子纠缠之后，团队又对它们进行了超纠缠，使得原子的运动和电子态都相互关联。

"基本上，这里的目标是突破我们能控制这些原子的边界，" Endres说。"我们本质上是在构建一个工具箱：我们以前知道如何控制原子内部的电子，现在我们学会了如何控制原子整体的外部运动。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总结道。