Natuurkundigen uit Princeton zijn er voor het eerst in geslaagd afzonderlijke moleculen met elkaar te verbinden

In het werk dat kan leiden tot krachtiger Kwantitatieve statistiekenOnderzoekers van de Universiteit van Princeton zijn erin geslaagd moleculen tot kwantumverstrengeling te dwingen.

Voor het eerst is een team natuurkundigen van de Universiteit van Princeton erin geslaagd individuele deeltjes aan elkaar te binden in speciale ‘verstrengelde’ toestanden van de kwantummechanica. In deze vreemde toestanden blijven deeltjes met elkaar verbonden en kunnen ze gelijktijdig met elkaar interacteren, zelfs als ze kilometers uit elkaar liggen, of zelfs als ze tegenovergestelde uiteinden van het universum bezetten. Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappen.

Moleculaire verstrengeling: een doorbraak in praktische toepassingen

“Dit is een doorbraak in de wereld van moleculen vanwege het fundamentele belang van kwantumverstrengeling”, zegt Lawrence Cheok, assistent-professor natuurkunde aan de UCLA. Princeton Universiteit en hoofdauteur van het artikel. “Maar het is ook een grote doorbraak voor praktische toepassingen, omdat verknoopte moleculen de bouwstenen kunnen zijn voor veel toekomstige toepassingen.”

Hiertoe behoren bijvoorbeeld kwantumcomputers die bepaalde problemen veel sneller kunnen oplossen dan klassieke computers, kwantumsimulators die complexe materialen kunnen modelleren waarvan het gedrag moeilijk te modelleren is, en kwantumsensoren die sneller kunnen meten dan hun klassieke tegenhangers.

Laseropstelling om individuele moleculen af ​​te koelen, te controleren en te verknopen. Krediet: Richard Soden, afdeling natuurkunde, Princeton University

“Een van de motivaties om aan kwantumwetenschap te doen is dat in de praktijk blijkt dat als je de wetten van de kwantummechanica benut, je het op veel gebieden veel beter kunt doen”, zegt Connor Holland, een afgestudeerde student aan het departement natuurkunde. . En co-auteur van het werk.

Het vermogen van kwantumapparaten om beter te presteren dan klassieke apparaten staat bekend als kwantumvoordeel. De kern van kwantumvoordeel zijn de principes van superpositie en kwantumverstrengeling. Terwijl een klassiek computerbit de waarde 0 of 1 kan aannemen, kunnen kwantumbits, qubits genoemd, zich tegelijkertijd in een superpositie van 0 en 1 bevinden. Dit laatste concept, verstrengeling, is een belangrijke hoeksteen van de kwantummechanica. treedt op Wanneer twee deeltjes zo nauw met elkaar verbonden raken, blijft deze verbinding bestaan, zelfs als een van de deeltjes lichtjaren verwijderd is van de ander. Dit fenomeen werd door Albert Einstein, die aanvankelijk twijfelde aan de authenticiteit ervan, omschreven als ‘spookachtige actie op afstand’. Sindsdien hebben natuurkundigen bewezen dat verstrengeling feitelijk een nauwkeurige beschrijving is van de fysieke wereld en hoe de werkelijkheid is gestructureerd.

Uitdagingen en vooruitgang op het gebied van kwantumverstrengeling

“Kwantumverstrengeling is een fundamenteel concept, maar het is ook het belangrijkste element dat kwantumvoordeel oplevert”, zegt Cheok.

Maar het opbouwen van een kwantumvoordeel en het bereiken van controleerbare kwantumverstrengeling blijft een uitdaging, niet in de laatste plaats omdat ingenieurs en wetenschappers nog steeds onduidelijk zijn over welk fysiek platform het beste is voor het creëren van qubits. In de afgelopen decennia zijn veel verschillende technologieën – zoals gevangen ionen, fotonen en supergeleidende circuits, om er maar een paar te noemen – onderzocht als kandidaten voor kwantumcomputers en apparaten. Het optimale quantumsysteem of qubit-platform kan sterk afhankelijk zijn van de specifieke toepassing.

Maar tot dit experiment hadden moleculen lange tijd de beheersbare kwantumverstrengeling getrotseerd. Maar Cheok en zijn collega’s hebben door nauwkeurige manipulatie in het laboratorium een ​​manier gevonden om individuele moleculen te controleren en ze in deze verstrengelde kwantumtoestanden te lokken. Ze geloofden ook dat moleculen bepaalde voordelen hadden – bijvoorbeeld ten opzichte van atomen – waardoor ze bijzonder geschikt waren voor bepaalde toepassingen in de kwantuminformatieverwerking en kwantumsimulaties van complexe materialen. Vergeleken met atomen hebben moleculen bijvoorbeeld een grotere kwantumvrijheidsgraad en kunnen ze op nieuwe manieren interageren.

“Wat dit in praktische termen betekent, is dat er nieuwe manieren zijn om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken”, zegt Yukai Lu, een afgestudeerde student elektrotechniek en computertechniek en co-auteur van het artikel. “Een molecuul kan bijvoorbeeld in meerdere modi trillen en roteren. Je kunt dus twee van deze modi gebruiken om een ​​qubit te coderen. Als een molecuul Classificeren Als het polair is, kunnen twee moleculen interageren, zelfs als ze ruimtelijk gescheiden zijn.

Het is echter erg moeilijk gebleken om moleculen in het laboratorium te controleren vanwege hun complexiteit. De vrijheidsgraden die ze aantrekkelijk maken, maken ze ook moeilijk te controleren of aan te passen in laboratoriumomgevingen.

Innovatieve experimentele technieken en toekomstperspectieven

Cheok en zijn team pakten veel van deze uitdagingen aan via een zorgvuldig overwogen experiment. Ze kozen eerst een moleculaire soort die polair is en kan worden gekoeld door lasers. Vervolgens koelden ze de moleculen met een laser af tot ultrakoude temperaturen waarbij de kwantummechanica centraal staat. Individuele moleculen werden vervolgens opgevangen door een complex systeem van zeer gerichte laserstralen, genaamd ‘optische pincetten’. Door de pincetlocaties te engineeren, konden ze grote reeksen van afzonderlijke moleculen creëren en deze afzonderlijk in elke gewenste eendimensionale configuratie plaatsen. Ze creëerden bijvoorbeeld geïsoleerde moleculenparen en ook defectvrije ketens van moleculen.

Vervolgens codeerden ze de qubit in de spinvrije toestand van het molecuul. Ze konden aantonen dat deze moleculaire qubit coherent bleef, dat wil zeggen dat hij zich zijn superpositie herinnerde. Kortom, onderzoekers hebben het vermogen aangetoond om coherente, goed gecontroleerde qubits te creëren uit individueel gecontroleerde deeltjes.

Om de moleculen te verstrengelen, moesten ze de moleculen met elkaar laten interacteren. Met behulp van een reeks microgolfpulsen konden ze individuele moleculen op een coherente manier met elkaar laten interacteren. Door de reactie een bepaalde tijd te laten doorgaan, konden ze een poort van twee qubit implementeren die twee moleculen met elkaar verstrengelde. Dit is belangrijk omdat een dergelijke twee-qubit-verstrengelde poort een fundamentele bouwsteen is voor zowel universele digitale kwantumcomputers als de simulatie van complexe materialen.

Het potentieel van dit onderzoek om verschillende gebieden van de kwantumwetenschap te bestuderen is groot, gezien de innovatieve kenmerken die dit nieuwe platform voor moleculaire pincetarrays biedt. In het bijzonder is het Princeton-team geïnteresseerd in het onderzoeken van de fysica van veel op elkaar inwerkende deeltjes, die kunnen worden gebruikt om kwantumsystemen met veel lichamen te simuleren waar interessant opkomend gedrag zoals nieuwe vormen van magnetisme zou kunnen ontstaan.

“Het gebruik van moleculen in de kwantumwetenschap is een nieuwe grens, en onze demonstratie van on-demand verstrengeling is een belangrijke stap in het aantonen dat moleculen kunnen worden gebruikt als een levensvatbaar platform in de kwantumwetenschap”, aldus Cheok.

In een apart artikel gepubliceerd in hetzelfde nummer van WetenschappenEen onafhankelijke onderzoeksgroep onder leiding van John Doyle en Kang Kuen Ni aan de Harvard University en Wolfgang Ketterle aan het MIT bereikten vergelijkbare resultaten.

“Het feit dat ze dezelfde resultaten kregen, bevestigt de betrouwbaarheid van onze resultaten”, zei Cheok. “Ze laten ook zien dat moleculaire pincetarrays een opwindend nieuw platform voor de kwantumwetenschap aan het worden zijn.”

Referentie: “On-demand verstrengeling van moleculen in een herconfigureerbare optische pincetarray” door Connor M. Holland, Yukai Lu en Lawrence W. Cheok, 7 december 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.adf4272

Het werk werd ondersteund door Princeton University, de National Science Foundation (Grant No. 2207518) en de Sloan Foundation (Grant No. FG-2022-19104).