นาโนเทคโนโลยีตอนนี้ - ข่าวประชาสัมพันธ์: นักฟิสิกส์ 'พัวพัน' โมเลกุลส่วนบุคคลเป็นครั้งแรก ซึ่งเร่งความเป็นไปได้ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัม: ในการทำงานที่อาจนำไปสู่การคำนวณควอนตัมที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น นักวิจัยของพรินซ์ตันประสบความสำเร็จในการบังคับให้โมเลกุลเข้าสู่การพันกันของควอนตัม

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > นักฟิสิกส์ 'พัวพัน' โมเลกุลแต่ละตัวเป็นครั้งแรก ซึ่งเร่งความเป็นไปได้ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัม: ในงานที่อาจนำไปสู่การคำนวณควอนตัมที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น นักวิจัยของ Princeton ประสบความสำเร็จในการบังคับให้โมเลกุลเข้าสู่การพัวพันของควอนตัม

การตั้งค่าเลเซอร์เพื่อระบายความร้อน ควบคุม และพันกันโมเลกุลแต่ละโมเลกุล เครดิตภาพโดย Richard Soden ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

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

เครดิต
ภาพถ่ายโดย Richard Soden ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

นามธรรม:
นับเป็นครั้งแรกที่ทีมนักฟิสิกส์ของพรินซ์ตันสามารถเชื่อมโยงโมเลกุลแต่ละโมเลกุลเข้าด้วยกันเป็นสถานะพิเศษที่ "พันกัน" ในเชิงกลไกของควอนตัม ในรัฐที่แปลกประหลาดเหล่านี้ โมเลกุลยังคงมีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน และสามารถโต้ตอบกันได้ แม้ว่าพวกมันจะอยู่ห่างกันหลายไมล์ หรือจริงๆ แล้ว แม้ว่าพวกมันจะครอบครองอีกฟากหนึ่งของจักรวาลก็ตาม งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ในวารสาร Science

นักฟิสิกส์ 'พัวพัน' โมเลกุลแต่ละตัวเป็นครั้งแรก เร่งความเป็นไปได้ในการประมวลผลข้อมูลควอนตัม: ในงานที่อาจนำไปสู่การคำนวณควอนตัมที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น นักวิจัยของ Princeton ประสบความสำเร็จในการบังคับให้โมเลกุลเข้าสู่การพัวพันของควอนตัม

พรินซ์ตัน นิวเจอร์ซีย์ | โพสต์เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 2023

Lawrence Cheuk ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและผู้เขียนอาวุโสของบทความนี้ กล่าวว่า "นี่เป็นความก้าวหน้าในโลกของโมเลกุล เนื่องจากความสำคัญพื้นฐานของการพัวพันของควอนตัม" “แต่มันก็เป็นความก้าวหน้าสำหรับการใช้งานจริงด้วย เนื่องจากโมเลกุลที่พันกันสามารถเป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับการใช้งานในอนาคตมากมาย”

ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัมที่สามารถแก้ปัญหาบางอย่างได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ทั่วไป เครื่องจำลองควอนตัมที่สามารถจำลองวัสดุที่ซับซ้อนซึ่งมีพฤติกรรมที่ยากต่อการสร้างแบบจำลอง และเซ็นเซอร์ควอนตัมที่สามารถวัดได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบเดิม

“แรงจูงใจประการหนึ่งในการทำวิทยาศาสตร์ควอนตัมก็คือในโลกความเป็นจริง ปรากฎว่าหากคุณควบคุมกฎของกลศาสตร์ควอนตัม คุณจะทำอะไรได้ดีขึ้นมากในหลาย ๆ ด้าน” คอนเนอร์ ฮอลแลนด์ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์กล่าว และผู้ร่วมเขียนผลงาน

ความสามารถของอุปกรณ์ควอนตัมที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าอุปกรณ์แบบคลาสสิกเรียกว่า "ความได้เปรียบทางควอนตัม" และแก่นแท้ของข้อได้เปรียบทางควอนตัมก็คือหลักการของการซ้อนและการพัวพันของควอนตัม ในขณะที่บิตคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกสามารถรับค่าเป็น 0 หรือ 1 ได้ แต่บิตควอนตัมที่เรียกว่า qubit สามารถอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับของ 0 และ 1 ได้พร้อมกัน แนวคิดหลัง การพัวพัน เป็นรากฐานที่สำคัญของกลศาสตร์ควอนตัม และเกิดขึ้นเมื่อสองบิต อนุภาคจะเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก ดังนั้นการเชื่อมโยงนี้จึงคงอยู่ แม้ว่าอนุภาคหนึ่งจะอยู่ห่างจากอีกอนุภาคหลายปีแสงก็ตาม เป็นปรากฏการณ์ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ซึ่งตั้งคำถามถึงความถูกต้องในตอนแรก อธิบายว่าเป็น "การกระทำที่น่ากลัวในระยะไกล" ตั้งแต่นั้นมา นักฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่าในความเป็นจริงแล้ว ความพัวพันเป็นคำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับโลกทางกายภาพและโครงสร้างของความเป็นจริง

“การพัวพันกับควอนตัมเป็นแนวคิดพื้นฐาน” Cheuk กล่าว “แต่มันก็เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ทำให้ได้เปรียบด้านควอนตัม”

แต่การสร้างความได้เปรียบด้านควอนตัมและการบรรลุปัญหาควอนตัมพัวพันที่ควบคุมได้ยังคงเป็นความท้าทายไม่น้อย เนื่องจากวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ชัดเจนว่าแพลตฟอร์มทางกายภาพใดดีที่สุดสำหรับการสร้างคิวบิต ในทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีต่างๆ มากมาย เช่น ไอออนที่ติดอยู่ โฟตอน วงจรตัวนำยิ่งยวด และอื่นๆ ได้ถูกสำรวจว่าเป็นตัวเลือกสำหรับคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ควอนตัม ระบบควอนตัมหรือแพลตฟอร์มควอบิตที่เหมาะสมที่สุดอาจขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะได้เป็นอย่างดี

อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งการทดลองนี้ โมเลกุลได้ท้าทายการพันกันของควอนตัมที่ควบคุมได้มานานแล้ว แต่ Cheuk และเพื่อนร่วมงานของเขาพบวิธีผ่านการจัดการอย่างระมัดระวังในห้องปฏิบัติการ เพื่อควบคุมโมเลกุลแต่ละตัวและชักชวนพวกมันให้เข้าสู่สถานะควอนตัมที่เชื่อมต่อกันเหล่านี้ พวกเขายังเชื่อด้วยว่าโมเลกุลมีข้อได้เปรียบเหนืออะตอม ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานบางอย่างในการประมวลผลข้อมูลควอนตัมและการจำลองควอนตัมของวัสดุที่ซับซ้อน เมื่อเปรียบเทียบกับอะตอมแล้ว โมเลกุลมีระดับความเป็นอิสระของควอนตัมมากกว่าและสามารถโต้ตอบในรูปแบบใหม่ได้

“ความหมายในทางปฏิบัติก็คือ มีวิธีใหม่ๆ ในการจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลควอนตัม” Yukai Lu นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ และผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าว “ตัวอย่างเช่น โมเลกุลสามารถสั่นและหมุนได้หลายโหมด ดังนั้น คุณสามารถใช้สองโหมดเหล่านี้เพื่อเข้ารหัสควิบิตได้ หากสปีชีส์ของโมเลกุลเป็นแบบขั้ว โมเลกุลทั้งสองก็สามารถมีปฏิสัมพันธ์กันแม้ว่าจะแยกจากกันในเชิงพื้นที่ก็ตาม”

อย่างไรก็ตาม โมเลกุลได้รับการพิสูจน์แล้วว่าควบคุมในห้องปฏิบัติการได้ยากอย่างฉาวโฉ่เนื่องจากความซับซ้อน ระดับความเป็นอิสระที่ทำให้พวกเขาดูน่าดึงดูดยังทำให้พวกเขาควบคุมหรือจับกุมได้ยากในห้องปฏิบัติการ

Cheuk และทีมของเขาจัดการกับความท้าทายเหล่านี้มากมายผ่านการทดลองที่ไตร่ตรองอย่างรอบคอบ ขั้นแรกพวกเขาเลือกสายพันธุ์โมเลกุลที่มีทั้งขั้วและสามารถระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ได้ จากนั้นพวกเขาก็ทำให้โมเลกุลเย็นลงด้วยเลเซอร์จนถึงอุณหภูมิที่เย็นจัดซึ่งกลศาสตร์ควอนตัมเป็นศูนย์กลาง จากนั้นโมเลกุลแต่ละตัวจะถูกหยิบขึ้นมาโดยระบบที่ซับซ้อนของลำแสงเลเซอร์ที่มีการโฟกัสอย่างแน่นหนา ซึ่งเรียกว่า "แหนบแสง" ด้วยการออกแบบตำแหน่งของแหนบ พวกเขาสามารถสร้างอาร์เรย์ขนาดใหญ่ของโมเลกุลเดี่ยว และแยกตำแหน่งแต่ละตำแหน่งให้เป็นโครงสร้างหนึ่งมิติที่ต้องการได้ ตัวอย่างเช่น พวกเขาสร้างโมเลกุลคู่ที่แยกออกจากกันและยังมีโมเลกุลที่ปราศจากข้อบกพร่องอีกด้วย

ต่อไป พวกเขาเข้ารหัสควิบิตเป็นสถานะไม่หมุนและหมุนของโมเลกุล พวกเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าควอบิตของโมเลกุลนี้ยังคงสอดคล้องกัน กล่าวคือ มันจำการซ้อนทับของมันได้ กล่าวโดยสรุป นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างคิวบิตที่มีการควบคุมอย่างดีและสอดคล้องกันจากโมเลกุลที่ควบคุมแยกกัน

ในการที่จะพัวพันโมเลกุล พวกมันต้องทำให้โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กัน ด้วยการใช้ชุดคลื่นไมโครเวฟ พวกมันสามารถทำให้โมเลกุลแต่ละโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์กันในลักษณะที่สอดคล้องกัน ด้วยการปล่อยให้ปฏิสัมพันธ์ดำเนินไปในระยะเวลาที่แน่นอน พวกเขาจึงสามารถใช้เกตขนาด 2 ควิบิตที่พันโมเลกุลสองตัวเข้าด้วยกันได้ สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากเกตสองควิบิตที่พันกันดังกล่าวเป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับการคำนวณควอนตัมดิจิทัลสากลและสำหรับการจำลองวัสดุที่ซับซ้อน

ศักยภาพของงานวิจัยนี้ในการตรวจสอบสาขาต่างๆ ของวิทยาศาสตร์ควอนตัมนั้นมีมาก เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่นำเสนอโดยแพลตฟอร์มใหม่ของอาร์เรย์ปากคีบโมเลกุล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทีมงานพรินซ์ตันมีความสนใจในการสำรวจฟิสิกส์ของโมเลกุลที่มีปฏิสัมพันธ์จำนวนมาก ซึ่งสามารถนำไปใช้จำลองระบบควอนตัมหลายร่างกาย ซึ่งพฤติกรรมฉุกเฉินที่น่าสนใจ เช่น รูปแบบใหม่ของแม่เหล็กสามารถปรากฏขึ้นได้

“การใช้โมเลกุลสำหรับวิทยาศาสตร์ควอนตัมถือเป็นขอบเขตใหม่ และการสาธิตการพัวพันตามความต้องการของเราเป็นขั้นตอนสำคัญในการแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลสามารถใช้เป็นแพลตฟอร์มที่เป็นไปได้สำหรับวิทยาศาสตร์ควอนตัม” Cheuk กล่าว

ในบทความแยกต่างหากที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science ฉบับเดียวกัน กลุ่มวิจัยอิสระที่นำโดย John Doyle และ Kang-Kuen Ni จากมหาวิทยาลัย Harvard และ Wolfgang Ketterle จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ก็บรรลุผลที่คล้ายกัน

“ข้อเท็จจริงที่ว่าพวกเขาได้รับผลลัพธ์เดียวกันช่วยยืนยันความน่าเชื่อถือของผลลัพธ์ของเรา” Cheuk กล่าว "พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าอาร์เรย์แหนบโมเลกุลกำลังกลายเป็นแพลตฟอร์มใหม่ที่น่าตื่นเต้นสำหรับวิทยาศาสตร์ควอนตัม"

####

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
แคทเธอรีน แซนโดนเนลลา
มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน
สำนักงาน: 609-258 0541-
ติดต่อผู้เชี่ยวชาญ

ลอว์เรนซ์ ดับบลิว ชิค
มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน
@พรินซ์ตัน

ลิขสิทธิ์ © มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: