Teknisk robuste og skalerbare molekylære qubits

Begrebet "symmetri" er essentielt for grundlæggende fysik:et afgørende element i alt fra subatomære partikler til makroskopiske krystaller. Derfor kan mangel på symmetri - eller asymmetri - drastisk påvirke egenskaberne af et givet system.

Qubits, kvanteanalogen af ​​computerbits til kvantecomputere, er ekstremt følsomme - den største forstyrrelse i et qubit-system er nok til, at den mister enhver kvanteinformation, den måtte have båret. I betragtning af denne skrøbelighed virker det intuitivt, at qubits ville være mest stabile i et symmetrisk miljø. Men for en bestemt type qubit - en molekylær qubit - er det modsatte sandt.

Forskere fra University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME), University of Glasgow og Massachusetts Institute of Technology har fundet ud af, at molekylære qubits er meget mere stabile i et asymmetrisk miljø, hvilket udvider de mulige anvendelser af sådanne qubits, især som biologiske kvantesensorer.

Værket blev offentliggjort i august i Physical Review X .

"Molekylære qubits er bemærkelsesværdigt alsidige, da de kan specialfremstilles og placeres i en række forskellige miljøer," sagde David Awschalom, Liew Family Professor i Molekylær Engineering og Fysik ved UChicago, seniorforsker ved Argonne, direktør for Chicago Quantum Exchange og direktør for Q-NEXT, et Department of Energy Quantum Information Science Center. "At udvikle denne metode til at stabilisere dem åbner nye døre for potentielle anvendelser af denne nye teknologi."

Brug af et system som en qubit kræver, at det har to kvantetilstande, der kan svare til "0" og "1", som i en klassisk computer. Men kvantetilstande er skrøbelige og vil kollapse, hvis de forstyrres på nogen måde. Kvanteforskere har rykket grænserne for, hvor længe de kan få en qubit til at holde en kvantetilstand, før den kollapser, også kendt som "kohærenstid."

Afskærmning af qubits fra så meget ekstern påvirkning som muligt er en måde at forsøge at øge deres kohærenstid, og ved at placere de molekylære qubits i et asymmetrisk krystalarray fandt Awschalom og hans team ud af, at visse kvantetilstande var meget mindre følsomme over for eksterne magnetiske felter, og havde således længere kohærenstider:10 µs sammenlignet med 2 µs for identiske qubits i et symmetrisk krystalarray.

Dan Laorenza, en kandidatstuderende i kemi ved MIT, som arbejdede på projektet, siger, at det asymmetriske miljø giver "kohærensbeskyttelse", der kunne gøre det muligt for qubits at beholde deres kvanteinformation, selvom de placeres mere kaotiske steder.

"Vi forstår nu en direkte og pålidelig mekanisme til at forbedre sammenhængen af ​​molekylære qubits i magnetisk støjende miljøer," sagde han. "Vigtigst er det, at dette asymmetriske miljø let kan oversættes til mange andre molekylære systemer, især for molekyler placeret i amorfe miljøer som dem, der findes i biologi."

Qubit kvantesensorer har utallige potentielle anvendelser i biologiske systemer, især i medicinske sammenhænge; men disse systemer er kendt for at være ustrukturerede og støjende, hvilket gør det til en meget vanskelig udfordring at opretholde sammenhængen mellem disse qubit-sensorer. At lære, hvorfor et asymmetrisk miljø stabiliserer molekylære qubits mod magnetiske felter, kan føre til bedre sensorer i disse forskningsfelter. + Udforsk yderligere

Fuld kontrol over en seks-qubit kvanteprocessor i silicium