Огромное первое: физики «запутывают» отдельные молекулы с ошеломляющей точностью
Молекулы, громоздкие и трудные для борьбы, уже давно бросают вызов попыткам физиков заманить их в состояние контролируемой квантовой запутанности, при которой молекулы тесно связаны даже на расстоянии.
Теперь для первого В свое время две отдельные команды преуспели в запутывании пар ультрахолодных молекул, используя один и тот же метод: микроскопически точные оптические «пинцеты-ловушки».
Квантовая запутанность — причудливое, но фундаментальное явление квантовой сферы, которым занимаются физики. пытаются использовать их для создания первых коммерческих квантовых компьютеров.
Все объекты – от электронов до атомов, молекул и даже целых галактик – теоретически можно описать как спектр возможностей еще до того, как их начнут наблюдать. Только путем измерения свойства колесо случая приводит к четкому описанию.
Если два объекта запутаны, знание чего-либо о свойствах одного объекта – его вращении, положении или импульсе – мгновенно действует как измерение с другой, полностью останавливающее оба вращающихся колеса возможностей.
На данный момент исследователям удавалось запутывать захваченные ионы, фотоны, атомы и сверхпроводящие цепи в лабораторных экспериментах. Три года назад, например, команда ученых запутала триллионы атомов в «горячем и грязном» газе. Впечатляет, но не очень практично.
Физикам и раньше удавалось запутать атом и молекулу, и даже биологические комплексы обнаруживали в растительных клетках. Но контроль и манипулирование парами отдельных молекул – с достаточной точностью для целей квантовых вычислений – оказалось более сложной задачей.
Молекулы трудно охлаждаются, и они легко взаимодействуют с окружающей средой, а это означает, что они легко выпадают из хрупкие квантово-запутанные состояния (так называемые декогеренция).
Одним из примеров таких взаимодействий являются диполь-дипольные взаимодействия: способ, которым положительный конец полярной молекулы может быть притянут к отрицательному концу другой молекулы.
Но те же самые свойства делают молекулы перспективными кандидатами на роль кубитов в квантовых вычислениях, поскольку они открывают новые возможности для вычислений.
«Их долгоживущие молекулярные вращательные состояния образуют надежные кубиты, в то время как длинные Диполярное взаимодействие между молекулами в диапазоне -диапазона обеспечивает квантовую запутанность», — объясняет в своей статье физик Гарвардского университета Ичэн Бао и его коллеги.
Кубиты — это квантовая версия классических вычислительных битов, которые могут примите значение 0 или 1. С другой стороны, кубиты могут представлять множество возможных комбинаций 1 и 0 одновременно.
Запутывая кубиты, их комбинированное квантовое размытие 1 и 0 может работать в качестве быстрых калькуляторов в специально разработанных алгоритмах.
Молекулы, будучи более сложными объектами, чем атомы или частицы, обладают большим количеством присущих свойств или состояний, которые можно объединить, образуя кубит.
«На практике это означает, что существуют новые способы хранения и обработки квантовой информации», — говорит Юкай Лу, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета, соавтор второго исследования.
«Например, молекула может вибрировать и вращаться в нескольких режимах. Итак, вы можете использовать два из этих режимов для кодирования кубита. Если молекулы полярны, две молекулы могут взаимодействовать, даже если они пространственно разделены».
Обе команды создали ультрахолодные молекулы монофторида кальция (CaF), а затем поймали их одну за другой в оптические пинцеты.
Используя эти плотно сфокусированные лучи лазерного света, молекулы располагались парами настолько близко, что одна молекула CaF могла ощущать дальнее электрическое диполярное взаимодействие своего партнера. Это приводило к тому, что каждая пара молекул становилась связанной. в запутанном квантовом состоянии, тогда как незадолго до этого они были чужими.
Метод с его точным манипулированием отдельными молекулами «открывает путь к разработке новых универсальных платформ для квантовых технологий», пишет Аугусто Смерци, физик из Национального исследовательского совета Италии, в сопроводительной перспективе.
Смерзи не участвовал в исследовании, но видит в нем потенциал. По его словам, используя дипольные взаимодействия молекул, однажды система может будут использоваться для разработки сверхчувствительных квантовых датчиков, способных обнаруживать сверхслабые электрические поля.
«Приложения варьируются от электроэнцефалографии для измерения электрической активности мозга до мониторинга изменений электрических полей в земной коре для прогнозирования землетрясений». — предполагает он.
Эти два исследования были опубликованы в журнале Science здесь и здесь.
