나노기술의 현재 - 보도 자료: 물리학자들은 처음으로 개별 분자를 '얽힘'으로 양자 정보 처리 가능성을 가속화합니다. 더욱 강력한 양자 컴퓨팅으로 이어질 수 있는 작업에서 프린스턴 연구원들은 분자를 양자 얽힘으로 강제하는 데 성공했습니다

플라톤에 의해 재발행

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개별 분자의 냉각, 제어 및 얽힘을 위한 레이저 설정입니다. 출처 사진 제공: Richard Soden, 프린스턴 대학교 물리학과

Laser setup for cooling, controlling, and entangling individual molecules.

신용
사진: Richard Soden, 프린스턴 대학교 물리학과

요약 :
처음으로 프린스턴 물리학자 팀이 개별 분자를 양자 역학적으로 "얽힌" 특수 상태로 연결하는 데 성공했습니다. 이러한 기이한 상태에서 분자는 서로 상호 연관되어 있으며, 수 마일 떨어져 있거나 실제로 우주의 반대쪽 끝을 차지하더라도 동시에 상호 작용할 수 있습니다. 이번 연구는 최근 사이언스 저널에 게재됐다.

물리학자들은 처음으로 개별 분자를 '얽힘'으로 양자 정보 처리 가능성을 가속화했습니다. 보다 강력한 양자 컴퓨팅으로 이어질 수 있는 연구에서 프린스턴 연구원은 분자를 양자 얽힘으로 만드는 데 성공했습니다.

프린스턴, 뉴저지 | 게시일: 8년 2023월 XNUMX일

“이것은 양자 얽힘의 근본적인 중요성 때문에 분자 세계에서 획기적인 발전입니다.”라고 프린스턴 대학 물리학과 조교수이자 논문의 수석 저자인 로렌스 추크(Lawrence Cheuk)가 말했습니다. "그러나 얽힌 분자가 많은 미래 응용 분야의 구성 요소가 될 수 있기 때문에 이는 실용적인 응용 분야에서도 획기적인 발전입니다."

예를 들어, 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터, 동작을 모델링하기 어려운 복잡한 재료를 모델링할 수 있는 양자 시뮬레이터, 기존 컴퓨터보다 빠르게 측정할 수 있는 양자 센서가 여기에 포함됩니다.

물리학과 대학원생인 코너 홀랜드(Connor Holland)는 “양자과학을 하는 동기 중 하나는 실제 세계에서 양자역학의 법칙을 활용하면 여러 분야에서 훨씬 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다는 것”이라고 말했습니다. 그리고 그 작품의 공동저자.

기존 장치보다 성능이 뛰어난 양자 장치의 능력을 "양자 이점"이라고 합니다. 그리고 양자 이점의 핵심에는 중첩과 양자 얽힘의 원리가 있습니다. 고전적인 컴퓨터 비트는 0 또는 1의 값을 가정할 수 있지만 큐비트라고 하는 양자 비트는 동시에 0과 1의 중첩에 있을 수 있습니다. 후자의 개념인 얽힘은 양자 역학의 주요 초석이며 두 비트가 있을 때 발생합니다. 입자들은 서로 불가분하게 연결되어 한 입자가 다른 입자로부터 광년 떨어져 있더라도 이 연결이 지속됩니다. 처음에 그 타당성에 의문을 제기했던 알베르트 아인슈타인이 “으스스한 원거리 작용”이라고 표현한 현상이다. 그 이후로 물리학자들은 얽힘이 실제로 물리적 세계와 현실이 어떻게 구성되어 있는지에 대한 정확한 설명임을 입증했습니다.

척은 “양자 얽힘은 기본 개념이지만 양자 이점을 부여하는 핵심 요소이기도 하다”고 말했다.

그러나 양자 이점을 구축하고 제어 가능한 양자 얽힘을 달성하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 특히 엔지니어와 과학자가 큐비트 생성에 가장 적합한 물리적 플랫폼이 무엇인지 여전히 명확하지 않기 때문입니다. 지난 수십 년 동안 갇힌 이온, 광자, 초전도 회로 등 다양한 기술이 양자 컴퓨터 및 장치의 후보로 연구되었습니다. 최적의 양자 시스템 또는 큐비트 플랫폼은 특정 애플리케이션에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

그러나 이 실험이 있기 전까지 분자는 오랫동안 제어 가능한 양자 얽힘을 거부해 왔습니다. 그러나 Cheuk와 그의 동료들은 실험실에서의 세심한 조작을 통해 개별 분자를 제어하고 이들을 서로 연결된 양자 상태로 동축화하는 방법을 찾았습니다. 그들은 또한 분자가 원자에 비해 특정한 장점을 갖고 있어 양자 정보 처리 및 복잡한 물질의 양자 시뮬레이션 분야의 특정 응용 분야에 특히 적합하다고 믿었습니다. 예를 들어, 원자에 비해 분자는 더 많은 양자 자유도를 가지며 새로운 방식으로 상호 작용할 수 있습니다.

논문의 공동저자이자 전기 및 컴퓨터 공학 대학원생인 Yukai Lu는 “실용적인 측면에서 이것이 의미하는 바는 양자 정보를 저장하고 처리하는 새로운 방법이 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “예를 들어, 분자는 여러 모드로 진동하고 회전할 수 있습니다. 따라서 이러한 모드 중 두 가지를 사용하여 큐비트를 인코딩할 수 있습니다. 분자 종이 극성이면 두 분자는 공간적으로 분리되어 있어도 상호 작용할 수 있습니다.”

그럼에도 불구하고 분자는 그 복잡성으로 인해 실험실에서 제어하기가 매우 어렵다는 것이 입증되었습니다. 그들을 매력적으로 만드는 바로 그 자유도는 실험실 환경에서 통제하거나 가둬두기가 어렵게 만듭니다.

Cheuk와 그의 팀은 신중하게 고려된 실험을 통해 이러한 많은 문제를 해결했습니다. 그들은 먼저 극성이면서 레이저로 냉각될 수 있는 분자종을 선택했습니다. 그런 다음 분자를 양자 역학이 중심이 되는 초저온으로 레이저 냉각했습니다. 그런 다음 소위 "광학 핀셋"이라고 불리는 단단히 집중된 레이저 빔의 복잡한 시스템에 의해 개별 분자가 포착되었습니다. 핀셋의 위치를 엔지니어링함으로써 그들은 단일 분자의 큰 배열을 만들고 원하는 1차원 구성으로 개별적으로 배치할 수 있었습니다. 예를 들어, 그들은 분리된 분자 쌍과 결함 없는 분자 스트링을 만들었습니다.

다음으로 그들은 큐비트를 분자의 회전하지 않는 상태와 회전하는 상태로 인코딩했습니다. 그들은 이 분자 큐비트가 일관성을 유지한다는 것, 즉 중첩을 기억한다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 간단히 말해서, 연구원들은 개별적으로 제어되는 분자에서 잘 제어되고 일관된 큐비트를 생성하는 능력을 보여주었습니다.

분자를 얽히게 하려면 분자가 상호작용하도록 해야 했습니다. 일련의 마이크로파 펄스를 사용함으로써 그들은 개별 분자가 일관된 방식으로 서로 상호 작용하도록 할 수 있었습니다. 정확한 시간 동안 상호작용이 진행되도록 함으로써 두 분자를 얽히게 하는 2큐비트 게이트를 구현할 수 있었습니다. 이러한 얽힌 2큐비트 게이트는 범용 디지털 양자 컴퓨팅과 복잡한 재료 시뮬레이션을 위한 구성 요소이기 때문에 이는 중요합니다.

이 새로운 분자 핀셋 배열 플랫폼이 제공하는 혁신적인 기능을 고려할 때 양자 과학의 다양한 영역을 조사하기 위한 이 연구의 잠재력은 큽니다. 특히 프린스턴 팀은 새로운 형태의 자기와 같은 흥미로운 창발적 행동이 나타날 수 있는 양자 다체 시스템을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 많은 상호 작용 분자의 물리학을 탐구하는 데 관심이 있습니다.

Cheuk는 “양자 과학을 위해 분자를 사용하는 것은 새로운 개척지이며 주문형 얽힘에 대한 우리의 시연은 분자가 양자 과학을 위한 실행 가능한 플랫폼으로 사용될 수 있음을 입증하는 핵심 단계입니다.”라고 말했습니다.

사이언스(Science) 같은 호에 발표된 별도의 기사에서 하버드 대학교의 John Doyle과 Kang-Kuen Ni, MIT의 Wolfgang Ketterle이 이끄는 독립적인 연구 그룹도 비슷한 결과를 얻었습니다.

Cheuk는 "동일한 결과를 얻었다는 사실이 우리 결과의 신뢰성을 입증합니다"라고 말했습니다. "그들은 또한 분자 핀셋 배열이 양자 과학을 위한 흥미롭고 새로운 플랫폼이 되고 있음을 보여줍니다."

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연락처 :
캐서린 잔 도넬라
Princeton University
사무실 : 609-258-0541
전문가 연락처

로렌스 W. 척
Princeton University
프린스턴

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