Nanotehnologija zdaj – Sporočilo za javnost: Fiziki so prvič 'zapletli' posamezne molekule in s tem pospešili možnosti za kvantno obdelavo informacij: Raziskovalci iz Princetona so pri delu, ki bi lahko pripeljalo do robustnejšega kvantnega računalništva, uspeli prisiliti molekule v kvantno zapletenost

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Domov > Pritisnite > Fiziki prvič 'zapletajo' posamezne molekule in pospešujejo možnosti za kvantno obdelavo informacij: raziskovalcem iz Princetona je uspelo prisiliti molekule v kvantno prepletenost pri delu, ki bi lahko vodilo do robustnejšega kvantnega računalništva.

Laserska nastavitev za hlajenje, nadzor in zapletanje posameznih molekul.

KREDIT
Fotografija Richarda Sodena, Oddelek za fiziko, Univerza Princeton

Povzetek:
Prvič je ekipa fizikov iz Princetona uspela povezati posamezne molekule v posebna stanja, ki so kvantno mehansko "zapletena". V teh nenavadnih stanjih ostanejo molekule povezane med seboj – in lahko delujejo sočasno – tudi če so kilometre narazen ali celo, če zasedajo nasprotna konca vesolja. Ta raziskava je bila nedavno objavljena v reviji Science.

Fiziki prvič 'zapletajo' posamezne molekule in s tem pospešujejo možnosti za kvantno obdelavo informacij: raziskovalcem iz Princetona je uspelo prisiliti molekule v kvantno prepletenost pri delu, ki bi lahko privedlo do robustnejšega kvantnega računalništva.

Princeton, NJ | Objavljeno 8. decembra 2023

"To je preboj v svetu molekul zaradi temeljnega pomena kvantne prepletenosti," je dejal Lawrence Cheuk, docent za fiziko na univerzi Princeton in višji avtor članka. "Toda to je tudi preboj za praktične aplikacije, ker so lahko zapletene molekule gradniki za številne prihodnje aplikacije."

Ti vključujejo na primer kvantne računalnike, ki lahko rešijo določene probleme veliko hitreje kot običajni računalniki, kvantne simulatorje, ki lahko modelirajo kompleksne materiale, katerih vedenje je težko modelirati, in kvantne senzorje, ki lahko merijo hitreje kot njihovi tradicionalni primerki.

"Ena od motivacij za kvantno znanost je, da se v praktičnem svetu izkaže, da lahko, če izkoristiš zakone kvantne mehanike, narediš veliko bolje na mnogih področjih," je dejal Connor Holland, podiplomski študent na oddelku za fiziko. in soavtor pri delu.

Sposobnost kvantnih naprav, da prekašajo klasične, je znana kot "kvantna prednost". In v jedru kvantne prednosti sta načela superpozicije in kvantne prepletenosti. Medtem ko lahko klasični računalniški bit prevzame vrednost 0 ali 1, so lahko kvantni biti, imenovani kubiti, hkrati v superpoziciji 0 in 1. Slednji koncept, prepletenost, je glavni temelj kvantne mehanike in se pojavi, ko dva delci postanejo med seboj neločljivo povezani, tako da ta povezava obstaja, tudi če je en delec svetlobna leta oddaljen od drugega delca. To je pojav, ki ga je Albert Einstein, ki je sprva dvomil o njegovi veljavnosti, opisal kot »strašljivo dejanje na daljavo«. Od takrat so fiziki dokazali, da je prepletenost pravzaprav natančen opis fizičnega sveta in tega, kako je realnost strukturirana.

"Kvantna prepletenost je temeljni koncept," je dejal Cheuk, "vendar je tudi ključna sestavina, ki daje kvantno prednost."

Toda ustvarjanje kvantne prednosti in doseganje nadzorovane kvantne prepletenosti ostaja izziv, nenazadnje tudi zato, ker inženirjem in znanstvenikom še vedno ni jasno, katera fizična platforma je najboljša za ustvarjanje kubitov. V preteklih desetletjih je bilo veliko različnih tehnologij - kot so ujeti ioni, fotoni, superprevodna vezja, če naštejemo le nekaj - raziskanih kot kandidati za kvantne računalnike in naprave. Optimalni kvantni sistem ali platforma qubit je lahko zelo odvisna od specifične aplikacije.

Vendar pa so do tega poskusa molekule dolgo kljubovale nadzorovanemu kvantnemu prepletanju. Toda Cheuk in njegovi kolegi so s skrbno manipulacijo v laboratoriju našli način za nadzor posameznih molekul in jih spravili v ta prepletena kvantna stanja. Verjeli so tudi, da imajo molekule določene prednosti - na primer pred atomi - zaradi česar so še posebej primerne za nekatere aplikacije pri kvantni obdelavi informacij in kvantni simulaciji kompleksnih materialov. V primerjavi z atomi imajo na primer molekule več kvantnih stopenj svobode in lahko medsebojno delujejo na nove načine.

"Praktično to pomeni, da obstajajo novi načini shranjevanja in obdelave kvantnih informacij," je dejal Yukai Lu, podiplomski študent elektrotehnike in računalništva ter soavtor prispevka. "Na primer, molekula lahko vibrira in se vrti v več načinih. Torej lahko uporabite dva od teh načinov za kodiranje qubita. Če je molekularna vrsta polarna, lahko dve molekuli medsebojno delujeta, tudi če sta prostorsko ločeni."

Kljub temu se je izkazalo, da je molekule zaradi njihove zapletenosti znano težko nadzorovati v laboratoriju. Ravno zaradi svobode, zaradi katere so privlačni, jih je tudi težko nadzorovati ali zapreti v laboratorij.

Cheuk in njegova ekipa sta številne od teh izzivov obravnavala s skrbno premišljenim eksperimentom. Najprej so izbrali molekularno vrsto, ki je polarna in jo je mogoče ohladiti z laserji. Nato so lasersko ohladili molekule na ultra nizke temperature, kjer je kvantna mehanika v središču pozornosti. Posamezne molekule je nato pobral zapleten sistem tesno usmerjenih laserskih žarkov, tako imenovane "optične pincete". Z inženiringom položajev pincete so lahko ustvarili velike nize posameznih molekul in jih posamezno postavili v poljubno želeno enodimenzionalno konfiguracijo. Na primer, ustvarili so izolirane pare molekul in tudi nize molekul brez napak.

Nato so zakodirali kubit v nerotacijsko in rotacijsko stanje molekule. Lahko so pokazali, da je ta molekularni kubit ostal koherenten, to je, da si je zapomnil svojo superpozicijo. Skratka, raziskovalci so pokazali sposobnost ustvarjanja dobro nadzorovanih in koherentnih kubitov iz individualno nadzorovanih molekul.

Da bi zapletli molekule, so morali omogočiti interakcijo med molekulami. Z uporabo niza mikrovalovnih impulzov so lahko posamezne molekule medsebojno delovale na koherenten način. S tem ko so omogočili, da interakcija poteka točno določen čas, so lahko uvedli vrata z dvema kubitoma, ki so zapletla dve molekuli. To je pomembno, ker so tako zapletena vrata z dvema kubitoma gradnik tako za univerzalno digitalno kvantno računalništvo kot za simulacijo kompleksnih materialov.

Potencial te raziskave za raziskovanje različnih področij kvantne znanosti je velik glede na inovativne funkcije, ki jih ponuja ta nova platforma nizov molekularnih pincet. Zlasti se ekipa iz Princetona zanima za raziskovanje fizike številnih medsebojno delujočih molekul, ki jih je mogoče uporabiti za simulacijo kvantnih sistemov več teles, kjer se lahko pojavi zanimivo pojavno vedenje, kot so nove oblike magnetizma.

"Uporaba molekul za kvantno znanost je nova meja in naša predstavitev zapletanja na zahtevo je ključni korak pri dokazovanju, da se molekule lahko uporabljajo kot izvedljiva platforma za kvantno znanost," je dejal Cheuk.

V ločenem članku, objavljenem v isti številki Science, je neodvisna raziskovalna skupina, ki sta jo vodila John Doyle in Kang-Kuen Ni na univerzi Harvard ter Wolfgang Ketterle na tehnološkem inštitutu Massachusetts, dosegla podobne rezultate.

"Dejstvo, da so dobili enake rezultate, potrjuje zanesljivost naših rezultatov," je dejal Cheuk. "Prav tako kažejo, da nizi molekularnih pincet postajajo vznemirljiva nova platforma za kvantno znanost."

####

Za več informacij kliknite tukaj

Kontakt:
Catherine Zandonella
Princeton University
Pisarna: 609-258-0541
Kontakt strokovnjaka

Lawrence W. Cheuk
Princeton University
@Princeton

Avtorske pravice © Princeton University

Če imate komentar, prosim Kontakt nas.

Izdajalci novic, ne 7th Wave, Inc. ali Nanotechnology Now, so izključno odgovorni za točnost vsebine.

Zaznamek: