劳拉·奥斯特，国家标准与技术研究所 NIST物理学家詹姆斯·钦-文丑在实验中调整了一束用来操纵原子和分子的激光束，这有助于建立混合量子信息系统
信用:伯鲁斯/NIST 美国国家标准与技术研究所的物理学家通过连接或“缠绕”一个带电原子和一个带电分子，在量子层面上加强了对分子基本属性的控制，展示了一种构建混合量子信息系统的方法，该系统可以操纵、存储和传输不同形式的数据
《自然》杂志5月20日在网上发布的一篇论文中描述了这种新的NIST方法，这种方法可以通过连接基于不兼容的硬件设计和工作频率的量子位来帮助构建大规模的量子计算机和网络
混合平台量子系统可以提供像传统计算机系统一样的多功能性，例如，它可以在电子处理器、光盘和磁硬盘驱动器之间交换数据
NIST实验成功地将原子离子中电子的性质与分子的旋转状态纠缠在一起，因此对一个粒子的测量将控制另一个粒子的性质
这项研究建立在同一小组2017年对分子量子控制的演示基础上，该演示将长期以来用于操纵原子的技术扩展到由多个原子结合在一起的分子提供的更复杂、潜在更富有成效的领域。
分子有不同的内部能级，像原子一样，但也以不同的速度和角度旋转和振动
因此，分子可以在量子系统中充当介质，在每秒几千到几万亿次的量子位频率范围内转换量子信息
通过振动，分子可以提供更高的量子位频率
“我们证明了原子离子和分子离子是纠缠在一起的，我们还向你展示了在分子中获得广泛选择的量子位频率，”NIST物理学家詹姆斯(周进文)说
一个量子位用两种不同的量子态来表示数字数据位0和1，例如原子中的低能级和高能级
一个量子位也可以同时存在于两种状态的“叠加”中
NIST的研究人员将一个钙原子离子的两个能级与一个氢化钙分子的两对不同的旋转态纠缠在一起，氢化钙分子是一个与氢原子结合的钙离子
分子量子位的跃迁频率——两个旋转状态之间的循环速度——要么是13的低能
4千赫(千赫，每秒数千个周期)或每秒8550亿个周期(千兆赫或千兆赫)的高能
“分子提供了跃迁频率的选择，我们可以从许多类型的分子中进行选择，因此我们可以将大量的量子比特频率引入量子信息科学，”周说
“我们正在利用自然界中发现的转变，因此结果对每个人都是一样的
" 实验使用不同强度、方向和脉冲序列的蓝色和红外激光束的特定公式来冷却、缠绕和测量离子的量子态
首先，NIST的研究人员捕获并冷却这两种离子到它们的最低能量状态
这一对由于物理上的接近和正电荷而相互排斥，这种排斥就像弹簧一样锁住了它们的运动
激光脉冲给分子的旋转增加了能量，并产生了低能和高能旋转状态的叠加，这也引发了共同的运动，因此两个离子开始一起摇摆或摆动，在这种情况下是向相反的方向
分子的旋转因此与其运动纠缠在一起
更多的激光脉冲利用两个离子的共享运动，将原子离子诱导成低能级和高能级的叠加
这样，纠缠从运动转移到包围原子
研究人员通过向原子离子照射激光并测量其荧光或散射多少光来确定原子离子的状态
NIST的研究人员用两组分子的旋转特性演示了这项技术，用低能对(量子位)成功实现了87%的纠缠，用高能对成功实现了76%的纠缠
在低能情况下，分子以两个稍微不同的角度旋转，像陀螺一样，但同时处于两种状态
在高能情况下，分子以两种速度同时旋转，速度相差很大
2017年实验中展示的量子逻辑技术使这项新工作成为可能
研究人员应用红外激光脉冲驱动分子在100多种可能的旋转状态中的两种之间切换
研究人员知道这种转变的发生是因为两个离子的共同运动增加了一定量的能量
根据原子离子发出的光信号，研究人员知道离子是纠缠在一起的
新方法可用于由不同元素组成的大范围分子离子，提供了广泛的量子位特性选择
这种方法可以连接在不同频率下运行的不同类型的量子位，如原子和超导系统或轻粒子，包括电信和微波组件中的粒子
除了在量子信息方面的应用之外，新技术还可以用于制造量子传感器或进行量子增强化学
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