Forskere bygger hybrid kvantesystem ved at sammenfiltre molekyle med atom

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology har øget deres kontrol over molekylernes grundlæggende egenskaber på kvantenniveau ved at forbinde eller "sammenfiltre" et elektrisk ladet atom og et elektrisk ladet molekyle, viser en måde at opbygge hybrid kvanteinformationssystemer, der kan manipulere, gemme og overføre forskellige former for data.

Beskrevet i en Natur papir lagt online 20. maj, den nye NIST-metode kunne hjælpe med at opbygge store kvantecomputere og netværk ved at forbinde kvantebits (qubits) baseret på ellers inkompatible hardwaredesign og driftsfrekvenser. Mixed-platform kvante systemer kan tilbyde alsidighed som konventionelle computersystemer, hvilken, for eksempel, kan udveksle data mellem en elektronisk processor, en optisk disk, og en magnetisk harddisk.

NIST -eksperimenterne har med succes viklet egenskaberne af en elektron i atomionen med molekylets rotationstilstande, så målinger af den ene partikel ville kontrollere egenskaberne for den anden. Forskningen bygger på den samme gruppes demonstration i 2017 af kvantekontrol af et molekyle, hvilke udvidede teknikker, der længe har været brugt til at manipulere atomer til den mere komplicerede og potentielt mere frugtbare arena, der tilbydes af molekyler, består af flere atomer bundet sammen.

Molekyler har forskellige interne energiniveauer, som atomer, men også rotere og vibrere ved mange forskellige hastigheder og vinkler. Molekyler kunne derfor fungere som mediatorer i kvantesystemer ved at konvertere kvanteinformation på tværs af en lang række qubit -frekvenser, der spænder fra et par tusinde til et par billioner cyklusser i sekundet. Med vibrationer, molekyler kunne tilbyde endnu højere qubit -frekvenser.

"Vi har bevist, at atomionen og molekylærionen er sammenfiltrede, og vi viste også, at du får et bredt udvalg af qubit -frekvenser i molekylet, "NIST-fysiker James (Chin-wen) Chou sagde.

En qubit repræsenterer de digitale databit 0 og 1 i form af to forskellige kvantetilstande, såsom lav- og højenerginiveauer i et atom. En qubit kan også eksistere i en "superposition" af begge stater på én gang. NIST -forskerne sammenfiltrede to energiniveauer af en calciumatomion med to forskellige par rotationstilstande af en calciumhydridmolekylær ion, som er en calciumion bundet til et hydrogenatom. Den molekylære qubit havde en overgangsfrekvens - hastigheden på cykling mellem to rotationstilstande - på enten lav energi ved 13,4 kilohertz (kHz, tusinder af cyklusser i sekundet) eller høj energi med 855 milliarder cyklusser i sekundet (gigahertz eller GHz).

"Molekyler giver et udvalg af overgangsfrekvenser, og vi kan vælge mellem mange typer molekyler, så det er et stort udvalg af qubit -frekvenser, vi kan bringe ind i kvanteinformationsvidenskab, "Chou sagde." Vi drager fordel af overgange, der findes i naturen, så resultaterne bliver de samme for alle. "

Eksperimenterne brugte en specifik formel for blå og infrarøde laserstråler med forskellige intensiteter, orienteringer og pulssekvenser til afkøling, vikle og måle ionernes kvantetilstande.

Først, NIST-forskerne fangede og afkølede de to ioner til deres tilstander med lavest energi. Parret frastødte hinanden på grund af deres fysiske nærhed og positive elektriske ladninger, og frastødningen virkede som en fjeder, der låste deres bevægelse. Laserpulser tilføjede energi til molekylets rotation og skabte en superposition af lavenergi- og højenergirotationstilstande, som også udløste en delt bevægelse, så de to ioner begyndte at gynge eller svinge i fællesskab, i dette tilfælde i modsatte retninger.

Molekylets rotation blev således viklet ind i dets bevægelse. Flere laserpulser udnyttede de to ioner's fælles bevægelse til at få atomionen til at blive en superposition af lave og høje energiniveauer. På denne måde, forvikling blev overført fra bevægelsen om at omfatte atomet. Forskerne bestemte atomionens tilstand ved at skinne en laser på den og måle dens fluorescens, eller hvor meget lys det spredte.

NIST -forskerne demonstrerede teknikken med to sæt af molekylets rotationsegenskaber, med succes opnået sammenfiltring 87% af tiden med et lavenergipar (qubit) og 76% af tiden med et par med højere energi. I lavenergisagen, molekylet roterede i to lidt forskellige vinkler, som en top, men i begge stater på én gang. I tilfælde med høj energi, molekylet drejede med to hastigheder samtidigt, adskilt af en stor forskel i hastighed.

Det nye arbejde blev muliggjort af de kvantelogiske teknikker, der blev vist i 2017 -eksperimentet. Forskerne anvendte impulser fra infrarødt laserlys til at drive skift mellem to af mere end 100 mulige rotationstilstande i molekylet. Forskerne vidste, at denne overgang fandt sted, fordi der blev tilføjet en vis mængde energi til de to ioners fælles bevægelse. Forskerne vidste, at ionerne var sammenfiltrede baseret på de lyssignaler, der afgives af atomionen.

De nye metoder kunne bruges med en bred vifte af molekylære ioner sammensat af forskellige elementer, tilbyder et bredt udvalg af qubit -ejendomme.

Fremgangsmåden kunne forbinde forskellige typer qubits, der opererer på forskellige frekvenser, såsom atomer og superledende systemer eller lette partikler, herunder komponenter inden for telekommunikation og mikrobølgeovn. Ud over applikationer i kvanteinformation, de nye teknikker kan også være nyttige til fremstilling af kvantesensorer eller udførelse af kvanteforbedret kemi.