如果将化学反应放大到量子水平，您会注意到粒子的行为就像波一样，可以产生涟漪和碰撞。长期以来，科学家们一直在寻求理解量子相干性，即粒子维持相位关系并同时存在于多种状态的能力。这类似于同步波的所有部分。量子相干性能否在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，哈佛大学的科学家团队首次证明了涉及超冷分子的化学反应中量子相干性的存在。这些发现凸显了利用化学反应在量子信息科学中未来应用的潜力。

“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·理查兹化学教授兼化学教授康昆·倪说。物理。 “通过实验来了解大自然告诉我们什么，真的很令人高兴。”

在《科学》杂志上发表的论文中，研究人员详细介绍了他们如何在超冷环境中研究涉及40 K 87 Rb 双碱分子的特定原子交换化学反应，其中两个钾铷 (KRb) 分子反应形成钾 (K 2 ) 和铷 (Rb 2 ) 产品。

研究小组通过操纵磁场，在纠缠态下制备了 KRb 分子的初始核自旋，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反应过程和结果背后复杂的量子动力学。

这项工作由倪实验室的几位成员承担，包括 Yi-Xiang Liu、Lingbang Zhu、Jeshurun Luke、JJ Arfor Houwman、Mark C. Babin 和 Ming-Guang Hu。

利用激光冷却和磁捕获，该团队能够将分子冷却到绝对零以上零点几度。在这种温度仅为 500 纳开尔文的超冷环境中，分子速度减慢，使科学家能够以极高的精度分离、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，这些效应在分子和化学反应的行为中发挥着重要作用。

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精确的反应产物对，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乱的。因此，令人惊讶的是在相同的基础反应动力学中发现相干形式的量子秩序，这次是在核自旋自由度中。

结果表明，在整个反应过程中，核自旋自由度内保持了量子相干性。相干性的存在意味着产物分子 K 2和 Rb 2处于纠缠状态，继承了反应物的纠缠。此外，通过故意诱导反应物退相干，研究人员证明了对反应产物分布的控制。

展望未来，倪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。

倪说：“我们相信结果是普遍的，不一定限于低温，而且可能发生在更温暖和潮湿的条件下。” “这意味着存在一种我们以前不知道的化学反应机制。”

第一合著者、研究生朱令邦认为该实验是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。尽管 KRb 的电子结构可能不同，但反应干扰的想法也可以推广到其他化学系统。”

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