超冷原子中首次实现“超纠缠”态

xinwen.mobi · 发表于 2025-5-26 22:20:40

近期，美国加州理工学院物理学教授Manuel Endres团队在超冷原子体系中首次实现了“超纠缠”（hyperentanglement）量子态，这一突破标志着量子操控技术进入新的维度。相关研究成果已于2025年5月发表在《科学》期刊。核心突破：多自由度协同纠缠传统量子纠缠通常仅涉及粒子的单一属性（如电子态），而超纠缠指多个量子自由度（如电子态、运动态、自旋等）同时处于纠缠状态。加州理工团队通过39束定制激光构成的光镊阵列，将锶原子冷却至接近绝对零度（仅比绝对零度高数万亿分之一开尔文），并首次在中性原子中同时操控电子态和运动态，形成双自由度超纠缠。这种状态下，原子的量子特性关联不仅体现在内部能级变化，还包括约100纳米振幅的钟摆式运动轨迹，类似于“双胞胎不仅穿同色袜子，还自动保持材质差异”的双重关联。技术创新：高精度操控与噪声抑制实验中采用的动态熵移除技术类似于麦克斯韦妖的设想：通过实时检测原子运动状态并选择性移除高能原子，使系统熵大幅降低，最终实现原子近乎静止的量子基态。这一方法比传统激光冷却效率更高，解决了量子系统中常见的噪声干扰问题，使阵列中99%的原子达到量子基态。在此基础上，团队利用光镊与微波场的协同调控，将原子运动纠缠与电子能级结合，实现了超纠缠态的稳定维持。科学意义与应用前景1. 量子计算突破：超纠缠使单个原子可编码更多量子比特，减少资源消耗。例如，原本需要多个原子完成的量子操作，现可通过单个原子的多自由度实现，显著提升量子系统的可扩展性。普林斯顿大学杰夫·汤普森指出，该技术的纠错机制与现有量子计算体系兼容，为构建高密度量子存储设备提供了可能。2. 量子模拟革新：原子运动的精确控制为开发超精确原子钟（误差低于现有水平）和模拟复杂量子系统（如高温超导机制）提供了新工具。例如，研究团队计划将超纠缠技术与光晶格技术结合，构建兼具多原子规模与多自由度的量子处理器，突破现有量子计算的物理限制。3. 基础物理验证：这是首次在大质量粒子（如中性原子）中实现超纠缠，此前仅在光子中观察到类似现象。该成果不仅验证了量子物理的深层特性，还为研究量子物质的未知行为提供了精密模拟器。对比与展望中国科学技术大学潘建伟团队曾于2020年在光晶格中实现1250对原子的高保真度纠缠态（保真度99.3%），为规模化量子计算奠定了基础。而加州理工的超纠缠研究则从“数量扩展”转向“维度深化”，两者技术路径可互补——例如，将超纠缠与光晶格结合，可能构建兼具多原子规模与多自由度的量子处理器。随着2025年政策红利释放与技术方案验证，这类突破有望加速量子计算从实验室走向实际应用。

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