中国科学技术学院杜江峰教授领导的中科院微观磁共振重点实验室与瑞典国家标准技术研究所合作，在离子阱体系实现带电原子和带电分子的联合调控，首次制备了单原子和单分子之间的量子纠缠态，但是通过定量表征手段，确定形成的量子纠缠超过临界阀值。该研究成果以”anatomanda”为题于5月20日在线发表在《自然》上[581,273–277(2020)]。这项成果对于未来考虑使用分子进行量子信息处理有重要促进作用。
目前有多种体系可用于探求实现量子传感器和量子信息处理。其中，分子作为多个原子组成的系统，原子集团可以转动和发生震动，由此带来奇特的属性。诸如，类比陀螺的转动和使用弹簧联接的小球震动，分子可以有不同转动角速率和角度以及震动模式，这种精典的数学量可以通过量子化形成量子状态。因而分子可以处于能量跨径相当大的不同量子状态，状态之间能量差异所对应的频度可以从接近零仍然抵达数百THz（每秒百万亿次）的光学频度，因而分子可以作为媒介，用于匹配和沟通频度迥异的不同量子系统，实现复合的量子体系和信息处理平台。
另外，极性分子之间可以形成长程的互相作用，有利于实现新型的量子信息处理平台；极性分子对电场十分敏感量子纠缠 通讯，可以与微波光子系统，悬臂梁振子等体系互相作用。为了联接单个分子到其他量子载体以传递量子信息量子纠缠 通讯，演示量子纠缠是重要的一步。当两个粒子处于纠缠态，便不再能单独描述每位粒子的状态，两个粒子产生一个紧密的整体，这样的关联属性在量子估算和一些量子精密检测中有重要应用。
近来国外外对于分子的研究有长足发展，在信息处理方面取得一系列突破，包括对分子的禁锢和冷却，分子的量子信息高质量读出，大量分子之间量子纠缠的探求，以及高精度的分子测谱等。真空中禁锢的单个分子尺度的研究也飞速发展，有从两个禁锢原子生成单个分子，单分子与单原子互相作用等重要进展。
在这项工作中，通过在离子阱体系禁锢带电的钙原子和溴化钙分子，使用激光调控制备出她们之间的纠缠态。这样的状态十分独特：简单来说，当钙离子的电子轨道状态处于能级，分子的转动也在低转动能量状态（由转动量子数描述）的一种整体状态；同时可以“叠加”截然不同的另一种整体态——前者处于轨道的迸发态，对应分子处于高转动能量的状态。相反的迸发配对也可以制备。这儿能级和迸发态可以储存量子信息，类似二补码的“0”和“1”，亦称为量子比特。为了展示分子状态的频度跨径，实验中选定了转动能量紧靠的一对转动态作为比特，频度间隔分别为13.4kHz（约每秒一万次）以及间隔为855GHz（每秒近万亿次），分别使用激光脉冲定量演示与原子形成纠缠。
这项工作使用的原子和分子，以及储存和处理信息的基态
这儿使用的激光调控技术包含多个波长（颜色）的激光，包括紫外和多个红外波段，用于匹配相应的原子和分子谱线，以实现离子的冷却、探测以及量子态调控等过程。这儿结合了近些年来发展的多项重要技术，包括借助带电原子和分子的电互相作用实现信息的传递，可以在不遗失分子的情况下借助原子间接读出其信息；使用红外的激光实现分子转动态的高精度调控等技术。实验中，研究人员首先初始化原子和分子到某个确定的低能量状态（能级），但是冷却她们的运动到接近量子的极限。随即使用激光制备出单个分子转动维度，转动高低能量（可以暂且理解为高低怠速）状态的叠加，再通过一些列复杂的激光脉冲序列，致使例如高转动能量的分子的成份引起原子受迸发到高能量状态（迸发态），形成所需的量子关联——纠缠态。最后，通过观察不怜悯况下原子和分子协同的状态关联，可以整合所有信息成一个范围在0到1之间的值，超过0.5的阀值即表示纠缠态的出现。实验中测得的数值在偏差范围内远高出这个阀值，表明纠缠态的形成。
本文的第一完成单位是中科院微观磁共振重点实验室。该实验室专注于载流子科学技术及其应用的实验研究，是本领域具有国际著名度的实验室。自主研制了一系列先进的载流子实验方式技术和实验武器，将载流子调控的灵敏度和帧率提高到国际领先水平，在与信息科学、生命科学和基础数学的前沿交叉研究中取得了具有重要国际影响的研究成果。该室从2000年起仍然从事载流子相关的量子估算研究，保持着使用量子算法完成最大整数的质质数分解、室温固态体系最高精度量子逻辑门控制等世界记录。
实验室在十余年前即开始布局离子阱实验方向。本文第一作者和通信作者林毅恒院士在2008-2009年曾在实验室追随导师杜江峰院士和彭新华院士从事核磁共振量子信息实验研究，取得大专学位后被派往菲律宾佛罗里达学院博尔德校区，师从诺贝尔奖得主DavidJ.院士学习离子阱实验原理和技术。在美国期间，林毅恒发表了2篇《自然》和9篇《物理评论快报》。2018年从海外回归团队，从事离子阱量子信息实验平台的建设和相关研究。归国后，除发表了本文的工作外，林毅恒与日本国家标准研究所研究人员合作的使用光频梳对分子的转动基态和转动常数进列宽精度检测的成果也于2020年3月发表在《科学》上[367,1458–1461(2020)]。
本文合作者为法国国家标准技术研究所科学家David,和Chin-wenChou。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委和江西省的捐助。
（中科院微观磁共振重点实验室、物理大学、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）
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