光镊阵列实现单个超冷分子精准操控

操纵和控制单个分子的量子状态的能力，是进行量子科学和技术应用的关键步骤。该领域随着光镊等技术的开发取得了重大突破，最近发表在PRX Quantum上题为“使用光镊阵列增强对单个超冷分子的量子控制”的研究展示了该领域的重大进展。

光镊是一种非侵入性技术，利用激光束中的光子动量来捕获和操纵微观物体。通过紧密聚焦激光束，研究人员可以创建一个高强度区域，对附近的物体施加足够的力将其固定在原地。该技术彻底改变了包括生物学在内的各个领域，在那里它允许在没有物理接触的情况下操纵单个细胞和生物分子。在量子科学领域，光镊为捕获和控制单个原子和分子提供了强大的工具。

与原子相比，分子具有丰富的内部结构。这种复杂性源于构成原子在分子内可以占据的各种振动和旋转状态。此外，极性分子表现出永久的电偶极矩，导致它们之间存在很强的相互作用。分子的这些独特特性在量子信息处理、量子模拟和超冷化学等应用中具有巨大的潜力。然而，有效地利用这些能力需要对分子的个体量子状态进行精确控制。

新研究在实现对单个超冷分子的增强量子控制方面取得了重大突破。研究人员使用了光学镊子阵列，实质上创造了一个能够隔离多个分子的激光陷阱网格。这种方法有几个优点。首先，它允许对单个分子进行限制，防止可能破坏其量子态的相互作用。其次，通过精确控制激光束，研究人员可以操纵被困分子在阵列中的位置。

实验从超冷的铷 (Rb) 和铯 (Cs) 原子云开始，使用激光和磁场的组合，研究人员诱导这些原子之间的化学反应，导致RbCs分子的形成。在分子形成后，研究人员使用全局微波辐射来操纵 RbCs 分子的旋转状态。旋转状态对应于分子绕其内部轴旋转的不同方式，每个状态都具有不同的能级。

一项关键创新是使用辅助光镊阵列。这个额外的阵列允许研究人员在主阵列内寻址单个分子。通过操纵辅助镊子，他们可以选择性地与特定分子交互，从而实现状态特定控制。

为了验证分子的状态，研究人员采用了一种聪明的技术，将旋转状态映射到分子中Rb原子的位置上。这使他们能够在一次实验中“读出”多个分子的状态。此外，使用镊子在陷阱内移动分子的能力使研究人员能够重新排列它们，从而创建适合进一步研究的无缺陷阵列。

实验的成功在于这些技术的结合：通过有效地形成 RbCs 分子、操纵其旋转状态并实现站点解析寻址，他们为控制单个超冷分子建立了强大的工具箱。这种增强控制为量子科学的各个领域打开了令人兴奋的途径。

潜在的应用之一在于量子信息处理。通过将信息编码到单个分子的量子状态中，研究人员可以构建鲁棒的量子比特，它是量子计算机的基本构建块，以高保真度操纵这些量子比特对于执行复杂的量子计算至关重要。

此外，RbCs 分子的偶极矩之间受控的相互作用可用于量子模拟。通过调整光镊阵列内分子之间的相互作用，研究人员可以创建模拟复杂现实世界现象的人工系统，例如强关联材料或奇异物质相。这种模拟复杂量子系统的能力可能会导致凝聚态物理、材料科学和其他领域取得突破。