Ultrakolde molekyler lover for kvanteberegning

Forskere har taget et vigtigt skridt mod det længe søgte mål med en kvantecomputer, som i teorien burde være i stand til langt hurtigere beregninger end konventionelle computere, for visse typer problemer. Det nye arbejde viser, at samlinger af ultrakolde molekyler kan beholde den information, der er lagret i dem, i hundredvis af gange længere end forskere tidligere har opnået i disse materialer.

Disse to-atom-molekyler er lavet af natrium og kalium og blev afkølet til temperaturer blot et par ti-milliondele af en grad over det absolutte nulpunkt (målt i hundredvis af nanokelvin, eller nK). Resultaterne er beskrevet i en rapport i denne uge Videnskab , af Martin Zwierlein, en MIT-professor i fysik; Jee Woo Park, en tidligere MIT kandidatstuderende; Sebastian Will, en tidligere forsker ved MIT og nu adjunkt ved Columbia University, og to andre, alle på MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Mange forskellige tilgange bliver undersøgt som mulige måder at skabe qubits på, de grundlæggende byggesten i længe teoretiserede, men endnu ikke fuldt realiserede kvantecomputere. Forskere har forsøgt at bruge superledende materialer, ioner holdt i ionfælder, eller individuelle neutrale atomer, samt molekyler af varierende kompleksitet. Den nye tilgang bruger en klynge af meget simple molekyler lavet af kun to atomer.

"Molekyler har flere 'håndtag' end atomer, Zwierlein siger, betyder flere måder at interagere med hinanden og med udefrakommende påvirkninger. "De kan vibrere, de kan rotere, og faktisk kan de interagere stærkt med hinanden, som atomer har svært ved at gøre. Typisk, atomer skal virkelig møde hinanden, være oven på hinanden næsten, før de ser, at der er et andet atom at interagere med, hvorimod molekyler kan se hinanden" over relativt lange områder. "For at få disse qubits til at tale med hinanden og udføre beregninger, at bruge molekyler er en meget bedre idé end at bruge atomer, " han siger.

Brug af denne slags to-atom-molekyler til kvanteinformationsbehandling "var blevet foreslået for nogen tid siden, " siger Park, "og dette arbejde demonstrerer det første eksperimentelle skridt mod at realisere denne nye platform, hvilket er, at kvanteinformation kan lagres i dipolære molekyler i længere tid."

"Det mest fantastiske er, at [disse] molekyler er et system, der kan tillade at realisere både lagring og behandling af kvanteinformation, bruger det samme fysiske system, " siger Will. "Det er faktisk en ret sjælden egenskab, der slet ikke er typisk blandt de qubit-systemer, der overvejende overvejes i dag."

I holdets indledende proof-of-principle laboratorietest, et par tusinde af de simple molekyler var indeholdt i et mikroskopisk pust af gas, fanget ved skæringspunktet mellem to laserstråler og afkølet til ultrakolde temperaturer på omkring 300 nanokelvin. "Jo flere atomer du har i et molekyle, jo sværere bliver det at afkøle dem, Zwierlein siger, så de valgte denne simple to-atom struktur.

Molekylerne har tre nøglekarakteristika:rotation, vibrationer, og spin-retningen af ​​kernerne i de to individuelle atomer. Til disse eksperimenter, forskerne fik molekylerne under perfekt kontrol med hensyn til alle tre egenskaber - dvs. ind i den laveste vibrationstilstand, rotation, og nuklear spin-justering.

"Vi har været i stand til at fange molekyler i lang tid, og også demonstrere, at de kan bære kvanteinformation og holde på den i lang tid, " siger Zwierlein. Og det, han siger, er "et af de vigtigste gennembrud eller milepæle, man skal have, før man håber på at bygge en kvantecomputer, hvilket er en meget mere kompliceret bestræbelse."

Brugen af ​​natrium-kalium molekyler giver en række fordele, siger Zwierlein. For én ting, "molekylet er kemisk stabilt, så hvis et af disse molekyler møder et andet, går de ikke i stykker."

I forbindelse med kvanteberegning, den "lange tid", Zwierlein refererer til, er et sekund - som faktisk er "i størrelsesordenen tusind gange længere end et sammenligneligt eksperiment, der er blevet udført" ved at bruge rotation til at kode qubit, han siger. "Uden yderligere foranstaltninger, det eksperiment gav et millisekund, men det her var allerede fantastisk." Med dette teams metode, systemets iboende stabilitet betyder "du får et helt sekund gratis."

Det tyder på, selvom det mangler at blive bevist, at et sådant system ville være i stand til at udføre tusindvis af kvanteberegninger, kendt som porte, i rækkefølge inden for det sekund af sammenhæng. De endelige resultater kunne derefter "læses" optisk gennem et mikroskop, afslører den endelige tilstand af molekylerne.

"Vi har et stærkt håb om, at vi kan lave en såkaldt gate - det er en operation mellem to af disse qubits, ligesom tilføjelse, subtraktion, eller den slags tilsvarende - på en brøkdel af et millisekund, " siger Zwierlein. "Hvis du ser på forholdet, du kunne håbe på at gøre 10, 000 til 100, 000 gate-operationer i den tid, vi har sammenhængen i prøven. Det er blevet angivet som et af kravene til en kvantecomputer, at have den slags forhold mellem gate-operationer og sammenhængstider."

"Det næste store mål vil være at 'tale' med individuelle molekyler. Så taler vi i virkeligheden kvanteinformation, " siger Will. "Hvis vi kan fange et molekyle, vi kan fange to. Og så kan vi tænke på at implementere en 'kvanteportoperation' - en elementær beregning - mellem to molekylære qubits, der sidder ved siden af ​​hinanden, " han siger.

Ved at bruge en matrix på måske 1, 000 sådanne molekyler, Zwierlein siger, ville gøre det muligt at udføre beregninger så komplekse, at ingen eksisterende computer overhovedet kunne begynde at tjekke mulighederne. Selvom han understreger, at dette stadig er et tidligt skridt, og at sådanne computere kan være et årti eller mere væk, i princippet kunne en sådan enhed hurtigt løse aktuelt uoverskuelige problemer såsom faktorisering af meget store tal - en proces, hvis vanskeligheder danner grundlaget for nutidens bedste krypteringssystemer til finansielle transaktioner.

Udover kvanteberegning, det nye system giver også mulighed for en ny måde at udføre præcisionsmålinger og kvantekemi på, siger Zwierlein.