哈佛大学的科学家们已经证明，量子相干性可以在超冷分子的化学反应中持续存在，这表明量子信息科学在更常见的环境条件下有更广泛的应用。
如果你把化学反应放大到量子水平，你会注意到粒子的行为就像波浪一样，可以涟漪和碰撞。长期以来，科学家们一直试图理解量子相干性，即粒子保持相关系并同时存在于多种状态的能力;这类似于波的所有部分都是同步的。量子相干性能否在化学键动态断裂和形成的化学反应中持续存在，一直是一个悬而未决的问题。
现在，哈佛大学的一个科学家小组首次证明了量子相干性在涉及超冷分子的化学反应中仍然存在。这些发现突出了利用化学反应在量子信息科学中的未来应用的潜力。
“我对我们的工作感到非常自豪，我们研究了化学反应的一个非常基本的性质，我们真的不知道结果会是什么，”资深合著者、西奥多·威廉·理查兹化学教授和物理学教授倪康坤说。“做一个实验来发现大自然母亲告诉我们的事情真的很令人满意。”
观测到的量子动力学
在发表在《科学》杂志上的论文中，研究人员详细介绍了他们如何在一个涉及40K87Rb双碱分子的超冷环境中研究一种特定的原子交换化学反应，其中两个钾铷(KRb)分子反应形成钾(K2)和铷(Rb2)产物。研究小组通过操纵磁场，在纠缠态的KRb分子中制备了初始的核自旋，然后用专门的工具检查了结果。在超冷环境下，Ni实验室能够跟踪核自旋自由度，并观察到反应过程和结果背后复杂的量子动力学。
这项工作由Ni实验室的几位成员承担，包括刘益祥、朱令邦、Jeshurun Luke、J.J. Arfor Houwman、Mark C. Babin和胡明光。
利用激光冷却和磁捕获，该团队能够将分子冷却到仅比绝对零度高几度。在这个只有500纳米开尔文的超冷环境中，分子会变慢，使科学家能够以惊人的精度分离、操纵和检测单个量子态。这种控制有助于观察叠加、纠缠和相干等量子效应，这些量子效应在分子行为和化学反应中起着重要作用。
通过采用复杂的技术，包括巧合检测，研究人员可以从单个反应事件中挑选出准确的反应产物对，研究人员能够精确地绘制和描述反应产物。此前，他们观察到产物分子的旋转和平移运动之间的能量分配是混沌的[Nature 593, 379-384(2021)]。因此，在相同的潜在反应动力学中发现相干形式的量子顺序是令人惊讶的，这次是在核自旋自由度中。
结果表明，在整个反应过程中，量子相干性在核自旋自由度内保持不变。相干性的存在意味着产物分子K2和Rb2处于纠缠态，继承了反应物的纠缠态。此外，通过故意诱导反应物中的退相干，研究人员展示了对反应产物分布的控制。
展望未来，Ni希望严格证明产物分子是纠缠的，她乐观地认为量子相干性可以在非超冷环境中持续存在。
倪教授说:“我们认为，这种结果是普遍的，并不一定局限于低温，在更温暖、更潮湿的环境中也可能发生。”“这意味着存在一种我们以前不知道的化学反应机制。”
论文的第一作者、研究生朱令邦认为，这个实验是一个扩大人们对化学反应总体理解的机会。
“我们正在探索自然界中可能发生的现象，”朱说。“我们可以尝试将我们的概念扩展到其他化学反应。虽然KRb的电子结构可能不同，但反应中干扰的想法也可以推广到其他化学系统。”
参考文献:刘宇，胡明光，Matthew A. Nichols，杨东正，谢代谦，郭华，倪康坤，“state-to-state超冷化学统计动力学的精度测试”，2021年5月19日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 021 - 03459 - 6
