成功率高达99.8%：科学家实现对分子控制的新水平

抖音推荐 2025年12月23日 02:26 1 admin

在微观物理学的竞技场上，原子通常被视为那个听话的“好孩子”。它们结构简单，易于用激光安抚和冷却，因此成为了第一代量子计算机和原子钟的宠儿。然而，分子——这个由多个原子结合而成的复杂实体，一直是个令人头疼的“捣蛋鬼”。它们不仅会像原子一样移动，还会疯狂地旋转和振动，这种不受控的躁动让科学家们在试图驾驭它们时屡屡碰壁。

但在 2025 年的尾声，来自美国国家标准与技术研究院（NIST）的一组物理学家宣布，他们终于找到了驯服这匹“量子野马”的缰绳。通过一种名为“量子逻辑光谱学”的精妙技术，研究团队成功地对氢化钙分子离子（CaH+）实现了前所未有的控制，操作成功率高达惊人的 99.8%。这不仅是物理学的一项壮举，更可能成为打开新物理大门、革新化学反应控制以及构建下一代量子传感器的关键钥匙。

一场量子层面的“双人舞”：当侦探遇到舞伴

要理解这项突破的难度，我们首先得明白为什么分子这么难搞。正如论文的第一作者道尔顿·查菲所言：“要控制一个粒子，我们需要将其精确定位在某个特定状态。”原子相对简单，但分子内部有着复杂的能级结构——它们像是一个不仅在跑道上飞奔，同时还在做后空翻和自旋的体操运动员。要让它们停下来并听从指挥，传统的激光冷却手段往往显得力不从心，因为激光很难同时覆盖分子所有的旋转和振动模式。

NIST 团队的解决方案充满了智慧：既然直接控制分子太难，那就给它找个“翻译”兼“舞伴”。他们选择了一个单独的钙离子作为辅助，将其与带电的氢化钙分子离子一同囚禁在电磁阱中。由于两者都带有正电荷，它们之间产生的库仑力就像一根无形的弹簧，将它们紧紧地耦合在一起。

这就上演了一场精彩的“借力打力”。虽然氢化钙分子对激光的呼唤置若罔闻，但旁边的钙离子却非常听话。研究人员首先用激光冷却钙离子，使其安静下来。就像两个被弹簧连在一起的人，当其中一个停下脚步，另一个也不得不慢下来。随着动能被抽走，原本躁动的分子终于冷静到了可以被操作的程度。

但这还只是第一步。为了确认分子是否真的听懂了指令，研究团队利用量子逻辑光谱学让钙离子充当了“侦探”。这就像是一场精密的各种捉迷藏：人类无法直接看到分子的旋转状态，但钙离子可以“感觉”到。当分子改变其旋转状态时，耦合作用会将这一信息传递给钙离子，使其在激光照射下发出微弱的光子。

分子可以作为量子技术的通用构建单元，但与原子相比，它们更难控制。（示意图）护理照片

“在我们实验室里，我们可以用相机观察离子处于哪种量子态，我觉得这太酷了，”NIST 的博士后研究员巴鲁克·马古利斯兴奋地描述道，“亲眼看到这一切真是令人着迷。”这种由暗到亮、再由亮到暗的闪烁，实际上就是分子在不同量子态之间跳跃的信号，标志着人类终于获得了通往分子内部世界的即时反馈机制。

18 秒的永恒：超越时间的量子相干性

这项研究最令人震惊的数据不仅仅是 99.8% 的操控成功率，还有一个看似短暂却在量子尺度上堪称“永恒”的时间单位：18 秒。

在量子世界里，环境噪声是最大的敌人。热辐射无处不在，随时准备破坏脆弱的量子态。但在实验中，研究团队发现，被囚禁且冷却的氢化钙分子能够保持其特定的旋转状态长达 18 秒，直到周围环境的热辐射最终迫使它发生改变。对于物理学家来说，这 18 秒不仅是漫长的，更是宝贵的。

研究生艾普丽尔·谢菲尔德强调了低温环境的关键作用。通过将实验环境维持在极低温状态，分子状态的保持时间比室温下延长了整整 10 倍。这给研究人员留出了巨大的操作窗口。正如马古利斯所解释的，这就像是拥有了成千上万次机会去测量、调整和实验。“一旦热辐射驱动分子进入另一种状态，观察离子的闪光就会停止，我们几乎可以在 10 毫秒左右的时间内观察到这一变化。”

这种极高的保真度和超长的相干时间，意味着科学家不再是碰运气式地观测，而是可以进行确定性的逻辑操作。这就是为什么 99.8% 这个数字如此重要——它标志着分子量子技术终于迈过了从“演示”到“实用”的关键门槛。如果不具备这种高可靠性，任何基于分子的量子计算或精密测量都将因为累积误差而崩溃。

不仅是物理，更是化学的未来

NIST 的这项成就，其深远影响绝不仅限于让物理学家感到兴奋。它实际上为我们提供了一种全新的视角来看待物质世界。既然我们能够如此精确地控制分子的量子态，那么我们也就有可能控制化学反应的最基本过程。

目前的化学反应大多是统计学的结果：我们将试剂混合，依靠热运动让分子碰撞，祈祷它们以正确的角度和能量结合。但有了这种级别的量子控制，未来的化学家或许能够像拼乐高积木一样，精确地诱导两个分子以特定的量子态发生反应，创造出传统方法无法合成的新材料，或者揭示那些在自然界中稍纵即逝的反应中间体。

此外，由于分子内部复杂的能级结构对外界场非常敏感，这种受控的分子离子将成为探索“新物理”的绝佳探测器。它们或许能帮助我们寻找暗物质的踪迹，或者检验自然界基本常数是否随时间变化，从而挑战现有的标准模型。

虽然距离构建一台完全基于分子的通用量子计算机还有很长的路要走，但 NIST 团队已经证明，那个混乱、喧嚣的分子世界并非不可驯服。通过巧妙的量子逻辑和精密的激光“舞步”，人类正在学会如何指挥物质最基本的乐章。当那两个离子在真空腔中协同闪烁时，我们看到的不仅是光，而是通向微观世界控制权的一条崭新道路。

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