量子计算首次使用单分子作为量子位
物理学家已经迈出第一步，用一种名为光镊的激光设备捕获单个分子，进而构建出量子计算机。12月7日，两个团队分别在《科学》上报告了他们的研究结果，在这两种情况下，单氟化钙分子对相互作用并纠缠在一起——这是量子计算的一个关键效应。
“这两篇论文构成了一个‘里程碑式的成果’。”美国科罗拉多大学博尔德分校物理学家Adam Kaufman说，“这为利用纠缠态扩大分子镊子阵列的潜在应用范围打开了大门。”
20世纪90年代末，量子计算基本原理的一些最初演示操纵了核磁共振机器内部溶液中的大量分子。从那时起，研究人员开发了各种其他的量子计算平台，包括超导电路和真空中的单个离子。而平台中的每一个物质单元都被当作量子信息或量子位的基本单元，量子位是经典计算机中比特的量子等价物。
在过去几年里，另一个强有力的竞争者出现了，其中的量子位是由中性原子而不是离子构成的，这些原子被高度聚焦的激光束“镊子”捕获。
现在，两个独立的团队在将这种方法用于分子而非原子方面取得了早期进展。其中一篇论文的合著者、美国普林斯顿大学物理学家Lawrence Cheuk说：“分子更复杂，这意味着它们提供了编码量子信息的新方法，也提供了相互作用的新方法。这为处理量子信息提供了前所未有的方式。”
两项研究都使用了光镊阵列，且每个镊子单元都捕获了一个分子。通过激光技术，他们将分子冷却到几十微开尔文的温度，仅比绝对零度高百万分之一度。在这种状态下，分子几乎是完全静止的。它们的自转可以停止，或者可以让它们只以一个量子的角动量旋转，这是它们可能拥有的最小旋转频率。两个团队都使用不旋转的分子表示量子位的“0”状态，用旋转分子表示量子位的“1”状态。
单氟化钙是高度极性的——它的电子携带的负电荷聚集在氟原子上，使分子的钙端带一个净正电荷。研究人员可以通过“感觉”对方的正负极诱导两个单氟化钙分子相互作用。“分子的偶极相互作用给了我们一个额外的调节旋钮。”另一篇论文的合著者、美国哈佛大学物理学家John Doyle说。
通过这种方式，研究小组能够证明分子发生了相互纠缠，这意味着它们形成了一个集体量子系统。这是量子计算机运行算法所必需的。
研究人员表示，在大多数应用中，分子量子计算机将比使用其他类型量子位的计算机慢。但分子可能是一种自然环境，可以在其中使用“量子力学”操纵量子信息。量子力学有3种可能的状态：-1、0和+1，可以提供一种对复杂材料或物理基本力进行量子模拟的方法。
Doyle补充说，这些进展还有助于利用捕获的分子进行高精度测量，从而揭示新的基本粒子的存在。
英国杜伦大学物理学家Hannah Williams表示，这项工作凸显了这一领域惊人的发展速度。“这一成就表明，分子将成为一个能够进行量子模拟的竞争性平台。”（李木子）
来源： 中国科学报