量子纠缠将光谱学扩展到单分子

将分子离子与原子纠缠，会形成一种“薛定谔猫”态，其对外部扰动的敏感度高于单个粒子。[图片：Helen Heinzer]

奥地利因斯布鲁克大学的研究人员设计出一种光谱技术，能够测量单个分子离子的特征振动（Nature，doi：10.1038/s41586-026-10915-8）。该方法通过将分子离子与一个辅助原子纠缠，放大与光的相互作用，从而探测分子对单个光子的吸收。

一种破坏性更小的方法

这项新技术建立在成熟的吸收光谱方法之上，该方法已成为探测分子结构及其能级跃迁的重要工具。然而，对于单个分子而言，其与光的相互作用极其微弱，光谱在很大程度上被噪声所掩盖。人们曾采用间接方法来测量光吸收的效应，但这些方法往往会扰动分子状态，甚至完全破坏样品。

为了寻找一种破坏性更小的替代方案，近期研究聚焦于一种最初为读取俘获离子量子计算机中的量子态而开发的技术。这种方法称为量子逻辑光谱，它将分子离子与一个易于操控的原子离子耦合在同一俘获势中。在这一耦合系统中，可以通过测量原子离子吸收的光来确定分子状态及其之间的跃迁，该方法已在简单的双原子分子种类上得到成功验证。

新的实验方案利用了相同的共俘获原理，但通过测量分子吸收单个光子时所受的反冲，可以研究更复杂的离子。这一微小的动量变化通过库仑相互作用传递给耦合的原子，但其对原子运动的影响太小，现有技术无法探测。

制备猫态

为了放大信号，研究人员使用两种不同频率的激光在分子离子和原子离子之间产生纠缠。这会形成一个单一的量子态，即薛定谔猫态，当吸收一个光子时，该状态经历的位移大于单个粒子。研究的第一作者 Zhenlin Wu 表示：“猫态中粒子的纠缠使系统对最微小的扰动都极其敏感。”反转猫态的制备过程，可以将位移映射到原子的电子态上，再利用为量子计算开发的方法读取。

研究人员将这种猫态探测方案应用于氢氧化钙离子（CaOH⁺）和钙离子，证明他们能够测量 O–H 伸缩模式基态与第一激发态之间的能级跃迁。记录到的该跃迁光谱达到了单光子灵敏度，并与波兰华沙大学合作者进行的理论计算结果高度吻合。

研究人员认为，同样的技术可应用于许多其他分子离子，从而能够测量频率低至 60 THz 的振动跃迁。此外，已有实验策略可提高反冲测量的灵敏度，这有望实现面向量子应用的分子态选择性单次测量。