量子工程绘图纸上的起始点，华人科学家为量子技术开辟新领域 / 四六文摘

从无法破解的网络到地震传感器，研究人员寄予了量子技术无限厚望，但所有这些都取决于能否建立并控制量子系统。

而近期，芝加哥大学的科学家们发明了一种新方法[1]，向希望迈进了一步。4月28日发表在《自然》杂志上的论文[2]，展示了如何将多个分子同时转化为单个量子态，而这是量子物理学的重要目标之一。

物质的基本状态之一被称为玻色-爱因斯坦凝聚：当把一组粒子冷却到接近绝对零度时，它们呈现出一种量子状态，整个群体表现得像是一个单一的原子。这种情况操作难度高，但当它发生时，可能会打开一个新世界的大门。

几十年来，科学家们已经可以用原子做到这一点，但他们真正想要的，是用分子也能够达成同样的目的。该方向的突破可以为多种形式的量子技术奠定基础。

但由于分子比原子大，且有更多活动部件，大多数尝试只能以失败告终。芝加哥大学物理系金政教授表示，原子是简单的球形物体，而分子可以振动、旋转、带磁性、控制难度高。即便如此，分子能做更多不同的事情，使得它们更有用。

图1｜金政教授（来源：芝加哥大学）

芝加哥大学金政教授研究组，利用实验室里的一些新功能，从去年开始尝试在实验中增加两个条件。

首先是将整个系统进一步冷却到10纳开尔文，只比绝对零度 (零下273.15摄氏度) 高出一点。然后他们将分子放入一个可以爬行的空间里，将它们钉平。

金政教授表示，通常分子想要向各个方向移动，如果允许它们这样做，那么稳定性就会大大降低。而如果限制了分子的活动范围，使它们处于一个二维平面上，它们就只能朝两个方向运动。

实验后得到了一组几乎完全相同的分子，它们以完全相同的方向、相同的振动频率、相同的量子状态排成一列。

图2｜分子成功汇聚为玻色-爱因斯坦凝聚的图像（来源：金政研究组）

科学家们将这种分子凝聚态比喻为一张原始的量子工程绘图纸，表明该实验是一个理想的起点。

截至目前，他们已经能够在这样的状态下，将几千个分子连接在一起，并开始探索其潜力。

金政教授补充说，以传统方式思考化学，人们会想到是一些原子和分子的碰撞，形成了一个新的分子。但在量子系统中，所有的分子呈现出集体行为，这为探索分子如何共同反应从而成为一种新分子，开辟了全新途径。

封面：

芝加哥大学

引用：

[1]https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03443-0

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