操縱和控制單個分子的量子狀態的能力，是進行量子科學和技術應用的關鍵步驟。該領域隨著光鑷等技術的開發取得了重大突破，最近發表在PRX Quantum上題為“使用光鑷陣列增強對單個超冷分子的量子控制”的研究展示了該領域的重大進展。

光鑷是一種非侵入性技術，利用激光束中的光子動量來捕獲和操縱微觀物體。通過緊密聚焦激光束，研究人員可以創建一個高強度區域，對附近的物體施加足夠的力將其固定在原地。該技術徹底改變了包括生物學在內的各個領域，在那里它允許在沒有物理接觸的情況下操縱單個細胞和生物分子。在量子科學領域，光鑷為捕獲和控制單個原子和分子提供了強大的工具。

與原子相比，分子具有豐富的內部結構。這種復雜性源于構成原子在分子內可以占據的各種振動和旋轉狀態。此外，極性分子表現出永久的電偶極矩，導致它們之間存在很強的相互作用。分子的這些獨特特性在量子信息處理、量子模擬和超冷化學等應用中具有巨大的潛力。然而，有效地利用這些能力需要對分子的個體量子狀態進行精確控制。

新研究在實現對單個超冷分子的增強量子控制方面取得了重大突破。研究人員使用了光學鑷子陣列，實質上創造了一個能夠隔離多個分子的激光陷阱網格。這種方法有幾個優點。首先，它允許對單個分子進行限制，防止可能破壞其量子態的相互作用。其次，通過精確控制激光束，研究人員可以操縱被困分子在陣列中的位置。摘自: www.ws46.com

實驗從超冷的銣 (Rb) 和銫 (Cs) 原子云開始，使用激光和磁場的組合，研究人員誘導這些原子之間的化學反應，導致RbCs分子的形成。在分子形成后，研究人員使用全局微波輻射來操縱 RbCs 分子的旋轉狀態。旋轉狀態對應于分子繞其內部軸旋轉的不同方式，每個狀態都具有不同的能級。

一項關鍵創新是使用輔助光鑷陣列。這個額外的陣列允許研究人員在主陣列內尋址單個分子。通過操縱輔助鑷子，他們可以選擇性地與特定分子交互，從而實現狀態特定控制。

為了驗證分子的狀態，研究人員采用了一種聰明的技術，將旋轉狀態映射到分子中Rb原子的位置上。這使他們能夠在一次實驗中“讀出”多個分子的狀態。此外，使用鑷子在陷阱內移動分子的能力使研究人員能夠重新排列它們，從而創建適合進一步研究的無缺陷陣列。

實驗的成功在于這些技術的結合：通過有效地形成 RbCs 分子、操縱其旋轉狀態并實現站點解析尋址，他們為控制單個超冷分子建立了強大的工具箱。這種增強控制為量子科學的各個領域打開了令人興奮的途徑。

潛在的應用之一在于量子信息處理。通過將信息編碼到單個分子的量子狀態中，研究人員可以構建魯棒的量子比特，它是量子計算機的基本構建塊，以高保真度操縱這些量子比特對于執行復雜的量子計算至關重要。

此外，RbCs 分子的偶極矩之間受控的相互作用可用于量子模擬。通過調整光鑷陣列內分子之間的相互作用，研究人員可以創建模擬復雜現實世界現象的人工系統，例如強關聯材料或奇異物質相。這種模擬復雜量子系統的能力可能會導致凝聚態物理、材料科學和其他領域取得突破。