I et nyt skridt mod kvanteteknologi, forskere syntetiserer lyse kvantebits

Med deres evne til at udnytte kvantemekanikkens mærkelige kræfter, qubits er grundlaget for potentielt verdensomspændende teknologier-som kraftfulde nye computertyper eller ultrapræcise sensorer.

Qubits (forkortelse for kvantebits) er ofte lavet af de samme halvledende materialer som vores daglige elektronik. Men et tværfagligt team af fysikere og kemikere ved University of Chicago og Northwestern University har udviklet en ny metode til at skabe skræddersyede qubits:ved kemisk at syntetisere molekyler, der koder kvanteinformation til deres magnetiske, eller "spin, "fastslår.

Denne nye bottom-up tilgang kunne i sidste ende føre til kvantesystemer, der har ekstraordinær fleksibilitet og kontrol, hjælper med at bane vejen for næste generations kvante-teknologi.

"Dette er et bevis på konceptet for en kraftfuld og skalerbar kvanteteknologi, "sagde David Awschalom, Liew -familieprofessoren i molekylær teknik ved Pritzker School of Molecular Engineering (PME), der ledede forskningen sammen med sin kollega Danna Freedman, professor i kemi ved Northwestern University. "Vi kan udnytte teknikkerne til molekylært design til at skabe nye atomskala-systemer til kvanteinformationsvidenskab. At bringe disse to fællesskaber sammen vil udvide interessen og have potentiale til at forbedre kvantefølelse og beregning."

Resultaterne blev offentliggjort 12. november i tidsskriftet Videnskab .

Qubits virker ved at udnytte et fænomen kaldet superposition. Mens de klassiske bits, der bruges af konventionelle computere, måler enten 1 eller 0, en qubit kan være både 1 og 0 på samme tid.

Teamet ønskede at finde en ny bottom-up tilgang til at udvikle molekyler, hvis spin-tilstande kan bruges som qubits, og kan let forbindes med omverdenen. For at gøre det, de brugte organometalliske chrommolekyler til at skabe en spin -tilstand, som de kunne kontrollere med lys og mikrobølger.

Ved at spændende molekylerne med præcist kontrollerede laserpulser og måle det udsendte lys, de kunne "læse" molekylernes spin -tilstand efter at have været placeret i en superposition - et centralt krav for at bruge dem i kvanteteknologier

Ved at variere blot et par forskellige atomer på disse molekyler gennem syntetisk kemi, de var også i stand til at ændre både deres optiske og magnetiske egenskaber, fremhæver løftet om skræddersyede molekylære qubits.

"I løbet af de sidste årtier har optisk adresserbare spins i halvledere har vist sig at være ekstremt kraftfulde til applikationer, herunder kvanteforstærket sensing, "sagde Awschalom, som også er direktør for Chicago Quantum Exchange og direktør for Q-NEXT, et Department of Energy National Quantum Information Science Research Center ledet af Argonne National Laboratory. "Oversættelse af disse systemers fysik til en molekylær arkitektur åbner en kraftfuld værktøjskasse med syntetisk kemi for at muliggøre ny funktionalitet, som vi kun lige er begyndt at udforske."

"Vores resultater åbner et nyt område for syntetisk kemi. Vi demonstrerede, at syntetisk styring af symmetri og binding skaber qubits, der kan behandles på samme måde som defekter i halvledere, "Freedman sagde." Vores bottom-up tilgang muliggør både funktionalisering af individuelle enheder som 'designer qubits' til målapplikationer og oprettelse af arrays af let kontrollerbare kvantetilstande, giver mulighed for skalerbare kvantesystemer. "

En potentiel anvendelse for disse molekyler kan være kvantesensorer, der er designet til at målrette mod specifikke molekyler. Sådanne sensorer kunne finde specifikke celler i kroppen, opdage, hvornår maden ødelægges, eller endda få øje på farlige kemikalier.

Denne bottom-up-tilgang kunne også hjælpe med at integrere kvanteteknologier med eksisterende klassiske teknologier.

"Nogle af de udfordringer, som kvanteteknologier står over for, kan muligvis overvindes med denne meget forskellige bottom-up-tilgang, "sagde Sam Bayliss, en postdoktor i Awschalom Group ved University of Chicago's Pritzker School of Molecular Engineering og medforfatter på papiret. "Brug af molekylære systemer i lysemitterende dioder var et transformativt skift; måske kunne noget lignende ske med molekylære qubits."

Daniel Laorenza, en kandidatstuderende ved Northwestern University og medforfatter, ser et enormt potentiale for kemisk innovation i dette rum. "Denne kemisk specifikke kontrol over miljøet omkring qubit giver en værdifuld funktion til at integrere optisk adresserbare molekylære qubits i en lang række miljøer, " han sagde.