中國科學技術學院杜江峰教授領導的中科院微觀磁共振重點實驗室與瑞典國家標準技術研究所合作，在離子阱體系實現帶電原子和帶電分子的聯合調控，首次制備了單原子和單分子之間的量子糾纏態，但是通過定量表征手段，確定形成的量子糾纏超過臨界閥值。該研究成果以”anatomanda”為題于5月20日在線發表在《自然》上[581,273–277(2020)]。這項成果對于未來考慮使用分子進行量子信息處理有重要促進作用。
目前有多種體系可用于探求實現量子傳感器和量子信息處理。其中，分子作為多個原子組成的系統，原子集團可以轉動和發生震動，由此帶來奇特的屬性。諸如，類比陀螺的轉動和使用彈簧聯接的小球震動，分子可以有不同轉動角速率和角度以及震動模式，這種精典的數學量可以通過量子化形成量子狀態。因而分子可以處于能量跨徑相當大的不同量子狀態，狀態之間能量差異所對應的頻度可以從接近零仍然抵達數百THz（每秒百萬億次）的光學頻度，因而分子可以作為媒介，用于匹配和溝通頻度迥異的不同量子系統，實現復合的量子體系和信息處理平臺。
另外，極性分子之間可以形成長程的互相作用，有利于實現新型的量子信息處理平臺；極性分子對電場十分敏感量子糾纏 通訊，可以與微波光子系統，懸臂梁振子等體系互相作用。為了聯接單個分子到其他量子載體以傳遞量子信息量子糾纏 通訊，演示量子糾纏是重要的一步。當兩個粒子處于糾纏態，便不再能單獨描述每位粒子的狀態，兩個粒子產生一個緊密的整體，這樣的關聯屬性在量子估算和一些量子精密檢測中有重要應用。
近來國外外對于分子的研究有長足發展，在信息處理方面取得一系列突破，包括對分子的禁錮和冷卻，分子的量子信息高質量讀出，大量分子之間量子糾纏的探求，以及高精度的分子測譜等。真空中禁錮的單個分子尺度的研究也飛速發展，有從兩個禁錮原子生成單個分子，單分子與單原子互相作用等重要進展。
在這項工作中，通過在離子阱體系禁錮帶電的鈣原子和溴化鈣分子，使用激光調控制備出她們之間的糾纏態。這樣的狀態十分獨特：簡單來說，當鈣離子的電子軌道狀態處于能級，分子的轉動也在低轉動能量狀態（由轉動量子數描述）的一種整體狀態；同時可以“疊加”截然不同的另一種整體態——前者處于軌道的迸發態，對應分子處于高轉動能量的狀態。相反的迸發配對也可以制備。這兒能級和迸發態可以儲存量子信息，類似二補碼的“0”和“1”，亦稱為量子比特。為了展示分子狀態的頻度跨徑，實驗中選定了轉動能量緊靠的一對轉動態作為比特，頻度間隔分別為13.4kHz（約每秒一萬次）以及間隔為855GHz（每秒近萬億次），分別使用激光脈沖定量演示與原子形成糾纏。
這項工作使用的原子和分子，以及儲存和處理信息的基態
這兒使用的激光調控技術包含多個波長（顏色）的激光，包括紫外和多個紅外波段，用于匹配相應的原子和分子譜線，以實現離子的冷卻、探測以及量子態調控等過程。這兒結合了近些年來發展的多項重要技術，包括借助帶電原子和分子的電互相作用實現信息的傳遞，可以在不遺失分子的情況下借助原子間接讀出其信息；使用紅外的激光實現分子轉動態的高精度調控等技術。實驗中，研究人員首先初始化原子和分子到某個確定的低能量狀態（能級），但是冷卻她們的運動到接近量子的極限。隨即使用激光制備出單個分子轉動維度，轉動高低能量（可以暫且理解為高低怠速）狀態的疊加，再通過一些列復雜的激光脈沖序列，致使例如高轉動能量的分子的成份引起原子受迸發到高能量狀態（迸發態），形成所需的量子關聯——糾纏態。最后，通過觀察不憐憫況下原子和分子協同的狀態關聯，可以整合所有信息成一個范圍在0到1之間的值，超過0.5的閥值即表示糾纏態的出現。實驗中測得的數值在偏差范圍內遠高出這個閥值，表明糾纏態的形成。
本文的第一完成單位是中科院微觀磁共振重點實驗室。該實驗室專注于載流子科學技術及其應用的實驗研究，是本領域具有國際著名度的實驗室。自主研制了一系列先進的載流子實驗方式技術和實驗武器，將載流子調控的靈敏度和幀率提高到國際領先水平，在與信息科學、生命科學和基礎數學的前沿交叉研究中取得了具有重要國際影響的研究成果。該室從2000年起仍然從事載流子相關的量子估算研究，保持著使用量子算法完成最大整數的質質數分解、室溫固態體系最高精度量子邏輯門控制等世界記錄。
實驗室在十余年前即開始布局離子阱實驗方向。本文第一作者和通信作者林毅恒院士在2008-2009年曾在實驗室追隨導師杜江峰院士和彭新華院士從事核磁共振量子信息實驗研究，取得大專學位后被派往菲律賓佛羅里達學院博爾德校區，師從諾貝爾獎得主DavidJ.院士學習離子阱實驗原理和技術。在美國期間，林毅恒發表了2篇《自然》和9篇《物理評論快報》。2018年從海外回歸團隊，從事離子阱量子信息實驗平臺的建設和相關研究。歸國后，除發表了本文的工作外，林毅恒與日本國家標準研究所研究人員合作的使用光頻梳對分子的轉動基態和轉動常數進列寬精度檢測的成果也于2020年3月發表在《科學》上[367,1458–1461(2020)]。
本文合作者為法國國家標準技術研究所科學家David,和Chin-wenChou。這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委和江西省的捐助。
（中科院微觀磁共振重點實驗室、物理大學、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）
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