值得一提的是，普林斯頓大學的一群物理學家已經能夠將單一分子連接在一起，形成量子力學「糾纏」的特殊狀態。在這些奇異的狀態下，這些分子彼此保持關聯，並且可以同時相互作用，即使它們相距數英里，或者即使它們佔據了宇宙的兩端。這項研究發表在最新一期的《科學》雜誌。

普林斯頓大學研究團隊成員。由左至右依序為物理學系助理教授Lawrence Cheuk、電機工程系研究生Yukai Lu和物理學系研究生Connor Holland。攝影：Richard Soden，物理系

「由於量子糾纏的根本重要性，這是分子世界的突破，」普林斯頓大學物理學助理教授、論文的資深作者Lawrence Cheuk說。「但這也是實際應用的突破，因為糾纏分子可以成為許多未來應用的基石。

例如，這些電腦可以比傳統電腦更快解決某些問題，量子模擬器可以模擬行為難以建模的複雜材料，以及可以比傳統電腦更快測量的量子感測器。

「做量子科學的動機之一是，在實際世界中，事實證明，如果你利用量子力學定律，你可以在許多領域做得更好，」物理系研究生康納·霍蘭德（Connor Holland）說。

量子裝置優於經典裝置的能力稱為「量子優勢」。量子優勢的核心是疊加和量子糾纏的原理。雖然經典電腦位元可以假設0 或1 的值，但稱為量子位元的量子位元可以同時處於0 和1 的疊加狀態。

後一個概念，糾纏，是量子力學的主要基石。當兩個粒子彼此密不可分地聯繫在一起時，就會發生這種情況，因此即使一個粒子與另一個粒子相距數光年，這種聯繫仍然存在。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）起初質疑其有效性，他將這種現象描述為「遠距離的幽靈般的行為」。從那時起，物理學家已經證明，糾纏實際上是對物理世界以及現實結構的準確描述。

「量子糾纏是一個基本概念，」Cheuk說，「但它也是賦予量子優勢的關鍵因素。

但是，建立量子優勢和實現可控的量子糾纏仍然是一個挑戰，尤其是因為工程師和科學家仍然不清楚哪種物理平台最適合創建量子位元。在過去的幾十年裡，許多不同的技術——如捕獲離子、光子、超導電路等——已被探索為量子電腦和設備的候選者。最佳的量子系統或量子位元平台很可能取決於特定的應用。

然而，在這項實驗之前，分子長期以來一直無視可控的量子糾纏。但Cheuk和他的同事們找到了一種方法，透過在實驗室中仔細操作，控制單個分子並將它們哄騙到這些互鎖的量子態中。他們還認為，分子具有某些優勢，例如與原子相比，這使得它們特別適合量子資訊處理和複雜材料的量子模擬中的某些應用。例如，與原子相比，分子具有更多的量子自由度，並且可以以新的方式相互作用。

「實際上，這意味著有儲存和處理量子資訊的新方法，」電氣和電腦工程研究生、論文的合著者Yukai Lu說。「例如，一個分子可以在多種模式下振動和旋轉。因此，您可以使用其中兩種模式對量子位元進行編碼。如果分子種類是極性的，那麼即使在空間上分開時，兩個分子也可以相互作用。

儘管如此，由於分子的複雜性，分子已被證明難以在實驗室中控制。使它們具有吸引力的自由度也使它們難以在實驗室環境中控製或圍欄。Cheuk和他的團隊透過一項經過深思熟慮的實驗解決了其中的許多挑戰，該實驗涉及一個被稱為「鑷子陣列」的複雜實驗平台，其中單個分子被一個複雜的緊密聚焦的雷射束系統拾取，即所謂的「光鑷」。

「將分子用於量子科學是一個新領域，我們對按需糾纏的演示是證明分子可以用作量子科學的可行平台的關鍵一步，」Cheuk說。

在同一期《科學》雜誌上發表的另一篇文章中，由哈佛大學的John Doyle和Kang-Kuen Ni以及麻省理工學院的Wolfgang Ketterle領導的獨立研究小組也取得了類似的結果。

「他們得到相同結果的事實驗證了我們結果的可靠性，」Cheuk說。「他們也表明，分子鑷子陣列正在成為量子科學的一個令人興奮的新平台。

Connor M. Holland、Yukai Lu 和Lawrence W. Cheuk 合著的「On-Demand Entanglement of Molecules in a Reconfigurable Optical Tweezer Array」於2023 年12 月8 日發表在《科學》雜誌上，（DOI： 10.1126/science .adf4272）。這項工作得到了普林斯頓大學、美國國家科學基金會（2207518）和斯隆基金會（FG-2022-19104）的支持。