發表在世界頂級學術期刊《自然》上的一篇論文報告了這種在分子層面上的量子控制能力。由於分子比特頻率可以在寬範圍內選擇，論文相信，類似機制可以用作混合量子信息系統中的“轉換器”，正如經典計算機需要兼容處理器、光盤、硬盤驅動器等不同屬性的物理載體，以進行信息處理、存儲或傳輸。

在激光控制下，被困在電磁場陷阱中的一個分子離子和一個原子離子出現了神奇的糾纏效應。

量子糾纏是愛因斯坦口中“鬼魅般的遠距作用”，處於糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變。

讓光子糾纏起來比較簡單，只要把光子打到特殊的晶體材料上，它就會變成一對糾纏光子。如果其中一個光子的自旋方向是“朝上”的話，那與之糾纏的另一個光子的自旋方向一定是“朝下”的。

而光子和原子之間會發生相互作用，原子吸收或失去光子後能級會升高或降低，可以利用這種相互作用使得光子和原子糾纏起來，甚至通過一個光子的連續相互作用將多個原子糾纏起來。

在實際操作中，要對原子實現如此精確的操控和測量，關鍵還是把原子固定住，減少它的振動。雖然科學家們夢寐以求的“一動不動”的原子目前不可能實現，但他們想出了很多有效的方法讓原子“冷靜”下來。例如，用電磁場囚禁住失去一個電子後帶正電的原子離子，再用激光施加阻力。

類似的冷原子技術已經在原子鐘和量子計算領域取得了很多應用。而分子是由多個原子以不同姿態組成的，結構更為複雜，更難控制。分子像原子一樣有不同的能級，可以不同的角度和速度旋轉、振動，因此也有包含更多維度的信息，能否在分子上實現類似的玩法呢？

2017年，美國標準技術研究所（NIST）捕獲了兩個相距幾百萬分之一的鈣離子。氫氣洩漏到真空室中，直到一個鈣離子和一個氫原子結合形成氫化鈣分子離子。接著，研究人員使用激光來冷卻原子離子，用紅外激光脈沖調制以驅動分子在超過100種可能旋轉狀態中，實現特定兩種之間的轉換，就像二極管表達“0”或“1”。

這次的論文是上述“量子邏輯光譜學”技術的延伸，用一組不同強度、方向和脈衝序列的藍色和紅外激光對分子離子進行冷卻、糾纏和狀態讀取。

實驗設計

同樣，先是捕獲兩個離子，因正電互斥，構成彈簧一般的動態鎖定。通過激光增加能量，分子在低能和高能旋轉態上疊加，引發兩個離子共同擺動。分子的狀態與這種運動形成糾纏。

最後，再用激光誘發原子離子的高低能態疊加，就將氫化鈣離子（CaH+）的兩組轉動態和轉而與鈣離子的兩個能級糾纏起來。

鈣離子和氫化鈣離子（CaH+）的能級轉換

在該實驗中，分子比特可以從低頻狀態（13.4千赫茲）轉換到高頻狀態（8.55萬億億赫茲）。

研究團隊相信，用不同元素組成不同分子，就可以實現更大範圍的分子比特屬性選擇，在量子信息科學、量子傳感器、量子化學等領域有應用潛力。

該論文的第一作者兼通訊作者為中國科學技術大學物理學院教授林毅恆。另外三位作者David R. Leibrandt、Dietrich Leibfried 和Chin-wen Chou來自NIST時間與頻率部。

NIST研究人員Chin-wen Chou在調試激光

公開資料顯示，林毅恆1986年12月生於廣東，2009年自中科大本科畢業後前往美國科羅拉多大學博爾德分校（CU Boulder，師從諾貝爾物理獎得主戴維·瓦恩蘭（David Wineland）， 2015年獲得博士學位。2010年至2015年同時在NIST擔任助理研究員。

林毅恆

瓦恩蘭在提高光譜測量精度上做出了巨大的貢獻，極大推動了實現更高精度原子鐘技術的發展和與原子量子態操控技術的發展。瓦恩蘭困住帶電原子或離子，通過光或光子來控制和測量它們，因此在2012年被授予諾獎。

此前，林毅恆已經參與9篇《物理評論快報》（PRL）、2篇《自然》、1篇《科學》論文。不過，以第一作者身份發表《自然》論文，尚屬首次。