為達(dá)成精準(zhǔn)操控，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種名為量子邏輯光譜學(xué)的技術(shù)。

科學(xué)家在分子操控領(lǐng)域取得重大突破，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)一氫化鈣分子離子的精準(zhǔn)操控。這項(xiàng)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理學(xué)家完成的壯舉，為量子技術(shù)、化學(xué)研究及新物理探索開辟了新可能。該分子離子由一個(gè)氫原子和一個(gè)鈣原子構(gòu)成。

論文第一作者道爾頓·查菲解釋道："操控粒子需要將其精準(zhǔn)固定在特定狀態(tài)。由于分子存在旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，其可能處于的狀態(tài)數(shù)量極為龐大——這正是分子比原子更難操控的本質(zhì)原因。"

運(yùn)用量子邏輯光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破

為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控，團(tuán)隊(duì)采用了最初為提升鋁離子鐘精度而開發(fā)的量子邏輯光譜技術(shù)。研究人員以鈣離子為"助手"與分子離子進(jìn)行信息交互，將二者共同囚禁于離子阱中。由于攜帶相同電荷，二者如被壓縮彈簧隔開般相互排斥。

研究團(tuán)隊(duì)指出，一氫化鈣分子與激光相互作用微弱，但單個(gè)鈣離子卻能與激光良好互動(dòng)。通過(guò)激光冷卻技術(shù)，研究人員先減緩鈣離子的運(yùn)動(dòng)速度，其分子同伴也隨之減速。研究生艾普麗爾·謝菲爾德強(qiáng)調(diào)："冷卻分子至關(guān)重要。"在激光冷卻與低溫環(huán)境的雙重作用下，分子狀態(tài)的保持時(shí)間較室溫環(huán)境延長(zhǎng)了十倍。

分子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可持續(xù)約18秒

隨后研究人員用激光改變分子旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。雖然無(wú)法直接觀測(cè)分子旋轉(zhuǎn)，但鈣離子能敏銳感知這種變化：當(dāng)分子旋轉(zhuǎn)改變時(shí)，鈣離子會(huì)釋放微弱光子閃光，在觀測(cè)儀上呈現(xiàn)為明亮光點(diǎn)；而當(dāng)研究人員令分子恢復(fù)初始旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，鈣離子會(huì)再次閃光。

研究顯示，鈣離子的雙閃光信號(hào)標(biāo)志著分子兩次量子躍遷的發(fā)生。NIST博士后巴魯克·馬古利斯表示："作為科學(xué)家，親眼見證這種量子操控令人振奮。量子力學(xué)的奇妙之處在于，我們通過(guò)攝像機(jī)就能判斷離子處于何種量子態(tài)——這實(shí)在太酷了！"

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在周圍熱輻射迫使分子改變狀態(tài)前，其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)可持續(xù)約18秒，這是本研究的重要成果之一。這18秒為研究人員提供了數(shù)千次測(cè)量分子狀態(tài)的機(jī)會(huì)。馬古利斯形象地解釋道："這就像一場(chǎng)捉迷藏游戲。當(dāng)熱輻射驅(qū)動(dòng)分子改變狀態(tài)時(shí)，觀測(cè)離子的閃光會(huì)在10毫秒內(nèi)停止，我們幾乎能實(shí)時(shí)捕捉這一變化。"

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)驗(yàn)證鈣離子的明暗狀態(tài)，最終以99.8%的成功率證實(shí)了分子狀態(tài)的可控性——這意味著每千次操控嘗試中約有998次成功。這項(xiàng)技術(shù)有望推動(dòng)多種分子應(yīng)用于特定量子任務(wù)，探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理現(xiàn)象，甚至實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)控制。盡管分子可作為量子技術(shù)的通用構(gòu)建模塊，其操控難度仍遠(yuǎn)高于原子。

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