Natuurkundigen ‘verstrikken’ individuele deeltjes met verbazingwekkende precisie: ScienceAlert

Omdat ze zo groot en moeilijk te manipuleren zijn, hebben moleculen lange tijd de pogingen van natuurkundigen getrotseerd om ze in een staat van gecontroleerde kwantumverstrengeling te lokken, waarin moleculen zelfs op afstand nauw met elkaar verbonden zijn.

Nu zijn twee afzonderlijke teams er voor het eerst in geslaagd paren ultrakoude moleculen met elkaar te verstrengelen met behulp van dezelfde methode: microscopisch nauwkeurige optische ‘pincetvallen’.

Kwantumverstrengeling is een vreemd maar fundamenteel fenomeen in de kwantumwereld waarvan natuurkundigen proberen te profiteren om de eerste commerciële kwantumcomputers te creëren.

Alle objecten – van elektronen tot atomen tot moleculen en zelfs hele sterrenstelsels – kunnen theoretisch worden beschreven als een spectrum van mogelijkheden voordat ze worden waargenomen. Alleen door het pand te meten komt het rad van het toeval tot een duidelijke omschrijving.

Als twee objecten met elkaar verstrengeld zijn, dient kennis over de eigenschappen van het ene object – zijn rotatie, positie of momentum – onmiddellijk als analogie voor het andere, waardoor beide mogelijke rotatiewielen volledig tot stilstand komen.

Tot nu toe hebben onderzoekers in laboratoriumexperimenten ionen, fotonen, atomen en supergeleidende circuits met elkaar kunnen verbinden. Drie jaar geleden bond een team bijvoorbeeld biljoenen atomen in een ‘heet en chaotisch’ gas. Indrukwekkend, maar niet erg praktisch.

Natuurkundigen zijn ook verstrikt geraakt Atoom en molecuul Vroeger zelfs Biologische complexen Gevonden in plantencellen. Maar het besturen en manipuleren van paren individuele moleculen – met voldoende precisie voor kwantumcomputerdoeleinden – was een moeilijkere taak.

Moleculen zijn moeilijk af te koelen en hebben gemakkelijk interactie met hun omgeving, wat betekent dat ze gemakkelijk uit fragiele kwantumverstrengelingstoestanden kunnen vallen Decoherentie).

Een voorbeeld van dergelijke interacties is Dipool-dipool-interacties: De manier waarop het positieve uiteinde van een polair molecuul naar het negatieve uiteinde van een ander molecuul kan worden getrokken.

Maar deze zelfde eigenschappen maken moleculen veelbelovende kandidaten voor qubits in quantum computing, omdat ze nieuwe rekenmogelijkheden bieden.

“Hun moleculaire spintoestanden op lange afstand vormen sterke qubits en zorgen tegelijkertijd voor dipoolinteractie op lange afstand tussen de moleculen Kwantumverstrengeling“,” Hij legt uit Harvard-natuurkundige Yicheng Bao en zijn collega’s in hun paper.

Qubits zijn de kwantumversie van klassieke computerbits, die een waarde van 0 of 1 kunnen aannemen. Qubits kunnen daarentegen Veel combinaties mogelijk 1 en 0 tegelijk

Door qubits te verstrengelen, kan de gecombineerde kwantumonscherpte van 1-en en 0-en fungeren als snelle rekenmachines in speciaal ontworpen algoritmen.

Moleculen zijn complexere entiteiten dan atomen of deeltjes en hebben meer inherente eigenschappen of toestanden, die aan elkaar kunnen worden gekoppeld om een ​​qubit te vormen.

“Wat dit in praktische termen betekent, is dat er nieuwe manieren zijn om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken.” Hij zegt Yucai Lu, een afgestudeerde student elektrotechniek en computertechniek aan Princeton, die co-auteur was van het tweede onderzoek.

“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 moleculaire soort polair is, kunnen twee moleculen interageren, zelfs als ze ruimtelijk gescheiden zijn.”

Beide teams produceerden ultrakoude calciummonofluoride (CaF)-moleculen en vingen ze vervolgens één voor één op in een optisch pincet.

Met behulp van deze strak gefocusseerde bundels laserlicht werden de moleculen in paren geplaatst, zo dichtbij dat het CaF-molecuul de elektrische dipoolinteractie op lange afstand van zijn partner kon waarnemen. Dit bracht elk paar moleculen in een verstrengelde kwantumtoestand, kort voordat ze vreemd werden.

Deze methode maakt, door de precieze manipulatie van individuele moleculen, “de weg vrij voor de ontwikkeling van nieuwe, veelzijdige platforms voor kwantumtechnologieën.” Hij schrijft Augusto Summerzi, natuurkundige bij de Nationale Onderzoeksraad in Italië, in een begeleidend perspectief.

Summerzy was niet betrokken bij het onderzoek, maar hij ziet de potentie ervan. Door gebruik te maken van de dipoolinteracties van moleculen, zegt hij dat het systeem op een dag kan worden gebruikt om ultragevoelige kwantumsensoren te ontwikkelen die in staat zijn ultrazwakke elektrische velden te detecteren.

“Toepassingen strekken zich uit van elektro-encefalografie om de elektrische activiteit in de hersenen te meten tot het monitoren van veranderingen in elektrische velden in de aardkorst tot het voorspellen van aardbevingen.” Hij speculeert.

De twee onderzoeken zijn gepubliceerd in Wetenschappen, hier En hier.