Fysikere sammenfiltrer individuelle molekyler for første gang og fremskynder mulighederne for kvanteberegning

For første gang har et hold Princeton-fysikere været i stand til at forbinde individuelle molekyler til specielle tilstande, der er kvantemekanisk "sammenfiltrede". I disse bizarre tilstande forbliver molekylerne korrelerede med hinanden - og kan interagere samtidigt - selvom de er milevidt fra hinanden, eller faktisk, selvom de optager modsatte ender af universet. Denne forskning blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science .

"Dette er et gennembrud i molekylernes verden på grund af den fundamentale betydning af kvantesammenfiltring," sagde Lawrence Cheuk, assisterende professor i fysik ved Princeton University og seniorforfatter af papiret. "Men det er også et gennembrud for praktiske anvendelser, fordi sammenfiltrede molekyler kan være byggestenene til mange fremtidige anvendelser."

Disse omfatter for eksempel kvantecomputere, der kan løse visse problemer meget hurtigere end konventionelle computere, kvantesimulatorer, der kan modellere komplekse materialer, hvis adfærd er svær at modellere, og kvantesensorer, der kan måle hurtigere end deres traditionelle modstykker.

"En af motivationerne for at lave kvantevidenskab er, at i den praktiske verden viser det sig, at hvis du udnytter kvantemekanikkens love, kan du gøre det meget bedre på mange områder," siger Connor Holland, en kandidatstuderende i fysik afdeling og en medforfatter på arbejdet.

Kvanteudstyrs evne til at udkonkurrere klassiske er kendt som "kvantefordel". Og kernen i kvantefordele er principperne for superposition og kvanteforvikling. Mens en klassisk computerbit kan antage værdien af ​​enten 0 eller 1, kan kvantebits, kaldet qubits, samtidigt være i en superposition på 0 og 1.

Sidstnævnte koncept, sammenfiltring, er en vigtig hjørnesten i kvantemekanikken og opstår, når to partikler bliver uløseligt forbundet med hinanden, så denne forbindelse består, selvom den ene partikel er lysår væk fra den anden partikel. Det er det fænomen, som Albert Einstein, som i første omgang betvivlede dets gyldighed, beskrev som "uhyggelig handling på afstand."

Siden da har fysikere vist, at sammenfiltring i virkeligheden er en nøjagtig beskrivelse af den fysiske verden, og hvordan virkeligheden er opbygget.

"Kvantesammenfiltring er et grundlæggende koncept," sagde Cheuk, "men det er også den vigtigste ingrediens, der giver kvantefordele."

Men at opbygge kvantefordele og opnå kontrollerbar kvantesammenfiltring er fortsat en udfordring, ikke mindst fordi ingeniører og videnskabsmænd stadig er uklare om, hvilken fysisk platform der er bedst til at skabe qubits.

I de sidste årtier er mange forskellige teknologier – såsom fangede ioner, fotoner og superledende kredsløb, for kun at nævne nogle få – blevet udforsket som kandidater til kvantecomputere og enheder. Det optimale kvantesystem eller qubit-platform kan meget vel afhænge af den specifikke applikation.

Indtil dette eksperiment havde molekyler dog længe trodset kontrollerbar kvantesammenfiltring. Men Cheuk og hans kolleger fandt en måde, gennem omhyggelig manipulation i laboratoriet, at kontrollere individuelle molekyler og lokke dem ind i disse sammenlåsende kvantetilstande.

De mente også, at molekyler har visse fordele - i forhold til atomer, for eksempel - hvilket gjorde dem særligt velegnede til visse anvendelser inden for kvanteinformationsbehandling og kvantesimulering af komplekse materialer. Sammenlignet med atomer, for eksempel, har molekyler flere kvantegrader af frihed og kan interagere på nye måder.

"Hvad dette betyder i praktiske termer er, at der er nye måder at lagre og behandle kvanteinformation på," sagde Yukai Lu, en kandidatstuderende i elektro- og computerteknik og medforfatter til papiret. "For eksempel kan et molekyle vibrere og rotere i flere tilstande. Så du kan bruge to af disse tilstande til at kode en qubit. Hvis den molekylære art er polær, kan to molekyler interagere, selv når de er rumligt adskilt."

Ikke desto mindre har molekyler vist sig notorisk vanskelige at kontrollere i laboratoriet på grund af deres kompleksitet. Selve de grader af frihed, der gør dem attraktive, gør dem også svære at kontrollere eller indfange i laboratoriemiljøer.

Cheuk og hans team tog fat på mange af disse udfordringer gennem et nøje gennemtænkt eksperiment. De valgte først en molekylær art, der både er polær og kan køles med lasere. De laserkølede derefter molekylerne til ultrakolde temperaturer, hvor kvantemekanikken er i centrum.

Individuelle molekyler blev derefter opfanget af et komplekst system af tæt fokuserede laserstråler, såkaldte "optiske pincet". Ved at konstruere pincettens positioner var de i stand til at skabe store arrays af enkelte molekyler og individuelt placere dem i enhver ønsket endimensionel konfiguration. For eksempel skabte de isolerede par af molekyler og defektfri strenge af molekyler.

Dernæst kodede de en qubit til en ikke-roterende og roterende tilstand af molekylet. De var i stand til at vise, at denne molekylære qubit forblev sammenhængende; det vil sige, den huskede sin overlejring. Kort sagt demonstrerede forskerne evnen til at skabe velkontrollerede og sammenhængende qubits ud af individuelt kontrollerede molekyler.

For at vikle molekylerne ind, var de nødt til at få molekylet til at interagere. Ved at bruge en række mikrobølgeimpulser var de i stand til at få individuelle molekyler til at interagere med hinanden på en sammenhængende måde.

Ved at tillade interaktionen at fortsætte i et præcist tidsrum, var de i stand til at implementere en to-qubit-gate, der sammenfiltrede to molekyler. Dette er vigtigt, fordi en sådan sammenfiltrende to-qubit-gate er en byggesten til både universel digital kvanteberegning og til simulering af komplekse materialer.

Potentialet i denne forskning til at undersøge forskellige områder inden for kvantevidenskab er stort i betragtning af de innovative funktioner, som denne nye platform af molekylære pincet-arrays tilbyder. Princeton-teamet er især interesseret i at udforske fysikken i mange interagerende molekyler, som kan bruges til at simulere kvante-mange-kropssystemer, hvor interessant emergent adfærd, såsom nye former for magnetisme, kan dukke op.

"Brug af molekyler til kvantevidenskab er en ny grænse, og vores demonstration af on-demand sammenfiltring er et nøgletrin i at demonstrere, at molekyler kan bruges som en levedygtig platform for kvantevidenskab," sagde Cheuk.

I en separat artikel offentliggjort i samme nummer af Science , en uafhængig forskningsgruppe ledet af John Doyle og Kang-Kuen Ni ved Harvard University og Wolfgang Ketterle ved Massachusetts Institute of Technology opnåede lignende resultater.

"Det faktum, at de fik de samme resultater, bekræfter pålideligheden af ​​vores resultater," sagde Cheuk. "De viser også, at molekylære pincet-arrays er ved at blive en spændende ny platform for kvantevidenskab."

Flere oplysninger: Connor M. Holland et al., On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical pincet array, Science (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

Yicheng Bao et al., Dipolær spin-udveksling og sammenfiltring mellem molekyler i en optisk pincet-array, Science (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

Augusto Smerzi et al., Entanglement with tweezed molecules, Science (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Princeton University