浅谈量子纠缠相关的量子应用

原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

量子纠缠对于许多量子应用至关重要，包括量子信息处理、量子模拟和量子增强传感。由于其丰富的内部结构和相互作用，分子被认为是量子科学的一个有前途的平台。然而，单独控制的分子的确定性纠缠一直是一个长期存在的实验挑战。

有鉴于此，普林斯顿大学Lawrence W. Cheuk等人展示了单独制备分子的按需纠缠。利用可重构光镊阵列制备的分子对之间的电偶极相互作用，确定性地创建了贝尔分子对，实现了捕获在可重构光镊阵列中的各个激光冷却分子之间的按需纠缠。分子镊阵列的方法结合了可重构光镊陷阱提供的微观可控性和通过分子之间的电偶极相互作用产生纠缠的能力。本工作结果证明了量子应用所需的关键构建模块，并可能推进使用捕获分子的量子增强基础物理测试。

准备和初始化激光冷却分子阵列

本工作始于捕获在动态可重构光镊陷阱阵列中的单个激光冷却一氟化钙 (CaF)分子，通过激光冷却、光捕获和传输等一系列步骤，单分子从磁光陷阱转移到由37个相同光镊陷阱组成的一维阵列。作者通过中性原子中的重排方法消除了光镊占据的随机性，通过测量成功创建均匀阵列的概率来表征重排过程，发现单粒子重排保真度为97.4(1)%。

图1 可重构光镊阵列中的激光冷却分子

探测单分子的旋转相干性

为了通过分子之间的偶极相互作用产生纠缠，需要较长的相干时间。基于前期工作基础，作者确定了一个赝幻囚禁条件，其中两个自旋态经历了近似相同的囚禁势。作者准备了一对光镊陷阱，其中一个陷阱是空的，另一个陷阱被在|↑>中初始化的分子占据，基于此测量了相干时间，相干时间可延长至215(30) ms。裸相干时间主要受到环境磁场的缓慢（毫秒时间尺度）波动的限制。

图2 镊重排和内部状态初始化

观察一致的分子间相互作用

获得足够长的旋转相干时间后，作者接着开始观察相干自旋交换相互作用。分子之间的长程电偶极相互作用引起|↑>和|↓>之间旋转激发的共振交换。为了观察自旋交换相互作用的影响，首先创建了一对|↑>分子，初始间距为4.20(6)mm，在此距离上相互作用可以忽略不计。接下来，在3 ms内将对间距减小到1.93(3)mm，此时相互作用强度J在相干时间尺度上变得可观。通过观察P↑↑的振荡，直接揭示了相干自旋交换相互作用的存在。通过改变对间距，验证了从振荡频率提取的相互作用强度J大约为1/r3。

图3 单粒子相干性和自旋交换振荡

创建并验证分子的纠缠

为了证明分子的纠缠，作者测量了贝尔态创建保真度F。根据布居和宇称振荡测量，获得了FRAW=0.540的原始贝尔态保真度，原始保真度和测量校正保真度均高于1/2，表明纠缠确实存在并按需创建。在量子信息处理的背景下，SPAM校正的贝尔状态保真度提供了通过自旋交换实现的iSWAP门的质量指示。在证明了贝尔对的确定性创建之后，作者进一步探讨了它们的寿命，发现寿命为85(5)ms。最后，作者研究了如何提高贝尔状态保真度，分子温度是实现高保真纠缠的关键因素，最终可以实现超过0.95的状态准备保真度。

图4 创建和探测贝尔对

审核编辑：黄飞