为了推动未来量子技术的发展，科学家们正在探索多种可能的方法。其中之一是将分子作为量子技术的基本构件。近期，加州理工学院的研究人员提出了一种创新的技术，使用超快激光脉冲调控分子的电子自旋，利用量子叠加这一重要的量子力学特性，将原本简单的分子转化为量子传感器。这些量子传感器能够利用其内在的量子特性，测量周围环境中的化学现象。这项技术为研究化学过程、生物系统以及推动量子技术的开发提供了新途径，尤其在蛋白质突变检测等应用领域具有重要潜力。相关研究成果以“Quantum Sensing Using Ultrafast Laser Pulses and a New Class of Molecular Probes”为题发表在Science上。
人们通常通过“薛定谔的猫”实验来理解量子叠加性，该实验假设，在未对系统进行观察或测量之前，盒子中的猫可以同时处于生死两种状态。类似地，处于叠加态的电子也可以存在于多种可能的状态中，每种状态代表着不同的结果，而测量后每种结果的发生概率则各不相同。
许多量子技术的核心在于量子比特（qubit），量子比特可对应计算机中的经典比特——位（bits）。然而，不同的是，量子比特（可以是分子、原子、光子或电子等，具体形式取决于量子计算或传感系统）能够展示出叠加态这一独特现象。由于量子比特可以同时处于多个状态，它们的计算能力远超经典比特。然而，叠加态在与周围环境的相互作用下会迅速坍缩为某一特定状态，这一现象为量子计算机等技术的实现带来了巨大的技术挑战。
加州理工学院化学系助理教授Ryan G. Hadt及其实验室的研究人员展示了如何通过飞秒激光脉冲（持续时间仅为几亿分之一秒）激发一类分子，以在室温下测量叠加态的实例。具体来说，他们展示了如何测量电子自旋叠加，这是一种量子力学特性，决定了电子产生的磁场方向。
用激光脉冲（绿色）照射一个特殊设计的分子，会产生两个电子自旋态的振荡量子力学叠加。第二个较弱的激光脉冲（紫色）能够在飞秒到皮秒的时间尺度上测量叠加态的演化，速度明显快于以前的方法。这种新的光谱方法能够在前所未有的化学条件下研究分子相干性，并为量子传感应用的开发提供了一个平台。
Hadt表示：“这项技术为研究生物系统、材料或其他化学过程提供了前所未有的可能性，这在以前是无法实现的。”
这项研究由化学博士后Erica Sutcliffe领导，利用了一个相对简单的分子的电子结构：六氯铱酸钾（K₂IrCl₆，Ir(IV)）。K₂IrCl₆基本上是一个铱离子被六个对称分布的氯离子包围的化合物，同时也是一个典型的顺磁性分子，意味着它具有非配对电子。Sutcliffe解释道：“在大多数分子中，电子只能处于特定的状态，但在这种高度对称的顺磁性分子中，电子状态的排列使得我们能够通过光有效地操控电子自旋。”
研究团队采用了一种名为泵浦探针偏振光谱学的技术，来创建并追踪电子自旋的叠加态。他们使用飞秒激光脉冲照射水中的K₂IrCl₆样品，这些脉冲经过精确调控，具有特定的偏振（光的偏振指光波在传播过程中相对于其传播方向的振荡取向）。Sutcliffe指出：“如果我们选择合适的偏振光，处于平衡状态的常规分子可以被激发进入自旋叠加态。”激光脉冲将电子从某一状态激发到更高的激发态，从而实现叠加。
几分之一秒后，研究人员用一个较弱的激光脉冲照射样品，并测量光的偏振变化。通过不断地进行此类测量，他们能够确定电子在恢复到初始状态之前，保持叠加状态的时间。
实验室研究生、论文共同作者Nathanael P. Kazmierczak表示：“并非所有分子都适合用这种方法进行测量，因此，这项研究揭示了两个关键的突破：一是开发仪器技术，二是找到能够与这些仪器配合使用的分子设计原理。”
尽管加州理工学院的研究小组首次证明，顺磁性分子可以通过这种方法启动和测量电子自旋叠加，Sutcliffe指出，这种技术并不专门针对K₂IrCl₆。她解释道：“我们并不认为我们所选择的分子是最理想的，而是展示了这一新技术作为一种量子特性探针在分子系统中的应用例子。”
除了有助于研究叠加态及其持续时间外，这些分子还具有作为量子传感器的潜力。例如，电子叠加对多种化学特性非常敏感，比如分子周围环境的粘度，或是否存在能够产生磁场的普通原子核。
Sutcliffe还强调：“这种方法的简便性使其具有广泛的应用前景。由于我们在这项技术中仅使用光，而不像其他方法那样依赖大磁铁或微波，因此我们能够在极短的时间尺度上测量特性，也可以在小尺寸尺度上进行测量。这意味着我们有可能在显微镜尺度上进行观察，这在过去是无法实现的，从而为研究生物系统中未充分探索的特性开辟了新的可能性。”
此外，研究小组还表示，电子叠加可能能够识别蛋白质中的单个突变。“Hadt表示：“鉴于叠加态对原子核空间分布的高度敏感性，我们思考，蛋白质的结构和氨基酸组成如何影响自旋叠加的特性，如果我们能够对其有进一步的理解，或许能够为识别蛋白质中潜在的癌症突变提供新的线索。”
原文连接：
END
扫描
微信矩阵
了解更多精彩
中国激光杂志社
爱光学
光电汇
