原創丨彤心未泯（米測 技術中心）

量子糾纏對于許多量子應用至關重要，包括量子信息處理、量子模擬和量子增強傳感。由于其豐富的內部結構和相互作用，分子被認為是量子科學的一個有前途的平臺。然而，單獨控制的分子的確定性糾纏一直是一個長期存在的實驗挑戰。

有鑒于此，普林斯頓大學Lawrence W. Cheuk等人展示了單獨制備分子的按需糾纏。利用可重構光鑷陣列制備的分子對之間的電偶極相互作用，確定性地創建了貝爾分子對，實現了捕獲在可重構光鑷陣列中的各個激光冷卻分子之間的按需糾纏。分子鑷陣列的方法結合了可重構光鑷陷阱提供的微觀可控性和通過分子之間的電偶極相互作用產生糾纏的能力。本工作結果證明了量子應用所需的關鍵構建模塊，并可能推進使用捕獲分子的量子增強基礎物理測試。

準備和初始化激光冷卻分子陣列

本工作始于捕獲在動態可重構光鑷陷阱陣列中的單個激光冷卻一氟化鈣 (CaF)分子，通過激光冷卻、光捕獲和傳輸等一系列步驟，單分子從磁光陷阱轉移到由37個相同光鑷陷阱組成的一維陣列。作者通過中性原子中的重排方法消除了光鑷占據的隨機性，通過測量成功創建均勻陣列的概率來表征重排過程，發現單粒子重排保真度為97.4(1)%。

圖1可重構光鑷陣列中的激光冷卻分子

探測單分子的旋轉相干性

為了通過分子之間的偶極相互作用產生糾纏，需要較長的相干時間。基于前期工作基礎，作者確定了一個贗幻囚禁條件，其中兩個自旋態經歷了近似相同的囚禁勢。作者準備了一對光鑷陷阱，其中一個陷阱是空的，另一個陷阱被在|↑>中初始化的分子占據，基于此測量了相干時間，相干時間可延長至215(30) ms。裸相干時間主要受到環境磁場的緩慢（毫秒時間尺度）波動的限制。

圖2 鑷重排和內部狀態初始化

觀察一致的分子間相互作用

獲得足夠長的旋轉相干時間后，作者接著開始觀察相干自旋交換相互作用。分子之間的長程電偶極相互作用引起|↑>和|↓>之間旋轉激發的共振交換。為了觀察自旋交換相互作用的影響，首先創建了一對|↑>分子，初始間距為4.20(6)mm，在此距離上相互作用可以忽略不計。接下來，在3 ms內將對間距減小到1.93(3)mm，此時相互作用強度J在相干時間尺度上變得可觀。通過觀察P↑↑的振蕩，直接揭示了相干自旋交換相互作用的存在。通過改變對間距，驗證了從振蕩頻率提取的相互作用強度J大約為1/r3。

圖3 單粒子相干性和自旋交換振蕩

創建并驗證分子的糾纏

為了證明分子的糾纏，作者測量了貝爾態創建保真度F。根據布居和宇稱振蕩測量，獲得了FRAW=0.540的原始貝爾態保真度，原始保真度和測量校正保真度均高于1/2，表明糾纏確實存在并按需創建。在量子信息處理的背景下，SPAM校正的貝爾狀態保真度提供了通過自旋交換實現的iSWAP門的質量指示。在證明了貝爾對的確定性創建之后，作者進一步探討了它們的壽命，發現壽命為85(5)ms。最后，作者研究了如何提高貝爾狀態保真度，分子溫度是實現高保真糾纏的關鍵因素，最終可以實現超過0.95的狀態準備保真度。

圖4 創建和探測貝爾對

審核編輯：黃飛