捕获激光冷却原子所需的一些实验室设备
美国加州理工学院团队在最新一期《科学》杂志上报告称，首次在超冷原子体系中实现了“超纠缠”态。这一突破性成果标志着人类对这些原子的量子特性实现了前所未有的控制，或为量子计算以及旨在探索物理学基本问题的量子模拟开辟新路径。
自20世纪90年代以来，研究人员一直在努力利用激光和电磁力使原子达到超冷状态，但在这些实验中，仍有一些原子相对较热，或者由于实验中的微小缺陷而吸收了少量热量。
此次，团队通过激光构建的“光镊”技术，不但成功冷却了中性锶原子阵列至接近绝对零度的状态，还首次将原子的运动状态也纳入量子信息编码之中，将过去被视为噪声的热运动转变为资源。
团队先利用39束特定波长的激光光束(即光镊)，对一个个原子进行光学操控和冷却，通过精准检测和主动纠正温度稍高的原子，使99%的原子达到“极冷”状态。这种创新性方法甚至优于现有最先进的激光冷却技术。
随后，他们将这些处于极冷状态的原子激发为类似钟摆振荡的运动状态，其振幅约为100纳米，并进一步将原子的两个振荡状态叠加形成量子“叠加态”。就像一个孩子在秋千上同时接受两位家长从相反方向的推力，虽在宏观世界中无法实现，但在量子尺度却能成为现实。
在此基础上，团队将这些“摇摆”的原子两两纠缠，不仅使它们的运动状态保持同步，还同步了它们的内部电子能级状态，即“超纠缠”态。
在基本纠缠态中，即使两个粒子相隔甚远，它们仍保持关联。而在“超纠缠”态中，一对粒子的两个特性也相互关联。如果说基本纠缠态是两个远隔千里的朋友在同一天点了同样的奶茶，那么“超纠缠”态就像是他们不仅奶茶口味一致，连甜度和冰块的选择也自动匹配。
这是科学界首次在有质量的粒子(如中性原子或离子)中实现“超纠缠”态，此前该现象仅在无质量的光子中得以实现。该成果不仅提升了每个原子所能承载的量子信息量，也为更紧凑、更高效的量子计算和量子存储奠定了基础。
