Fizycy „splatają” pojedyncze cząstki z zadziwiającą precyzją: ScienceAlert

Ponieważ są tak duże i trudne w manipulowaniu, cząsteczki od dawna przeciwstawiają się próbom fizyków, aby zwabić je w stan kontrolowanego splątania kwantowego, w którym cząsteczki są ściśle powiązane nawet na odległość.

Teraz po raz pierwszy dwóm oddzielnym zespołom udało się splątać pary ultrazimnych cząsteczek przy użyciu tej samej metody: mikroskopijnie precyzyjnych optycznych „pułapek pęsetowych”.

Splątanie kwantowe to dziwne, ale fundamentalne zjawisko w świecie kwantowym, które fizycy próbują wykorzystać do stworzenia pierwszych komercyjnych komputerów kwantowych.

Wszystkie obiekty – od elektronów, przez atomy, po cząsteczki, a nawet całe galaktyki – można teoretycznie opisać jako spektrum możliwości, zanim zostaną zaobserwowane. Tylko poprzez pomiar właściwości koło przypadku daje jasny opis.

Jeśli dwa obiekty są splątane, wiedza na temat właściwości jednego obiektu – jego obrotu, położenia lub pędu – natychmiast służy jako analogia do drugiego, całkowicie zatrzymując oba potencjalne koła obrotowe.

Do tej pory naukowcom udało się połączyć jony, fotony, atomy i obwody nadprzewodzące w eksperymentach laboratoryjnych. Na przykład trzy lata temu zespół badawczy związał biliony atomów w „gorący i chaotyczny” gaz. Robi wrażenie, ale mało praktyczne.

Fizycy również zostali w to uwikłani Atom i cząsteczka Nawet wcześniej Kompleksy biologiczne Występuje w komórkach roślinnych. Jednak kontrolowanie i manipulowanie parami pojedynczych cząsteczek – z precyzją wystarczającą do celów obliczeń kwantowych – było trudniejszym zadaniem.

Cząsteczki są trudne do ochłodzenia i łatwo wchodzą w interakcję z otoczeniem, co oznacza, że ​​łatwo wypadają z delikatnych stanów splątania kwantowego Dekoherencja).

Jednym z przykładów takich interakcji jest Oddziaływania dipol-dipol: Sposób, w jaki dodatni koniec cząsteczki polarnej może zostać przyciągnięty do ujemnego końca innej cząsteczki.

Jednak te same właściwości sprawiają, że cząsteczki są obiecującymi kandydatami na kubity w obliczeniach kwantowych, ponieważ oferują nowe możliwości obliczeń.

„Ich molekularne stany spinowe dalekiego zasięgu tworzą silne kubity, zapewniając jednocześnie interakcję dipolową dalekiego zasięgu między cząsteczkami Splątanie kwantowe„,” On tłumaczy Fizyk z Harvardu Yicheng Bao i jego współpracownicy w swoim artykule.

Kubity to kwantowa wersja klasycznych bitów obliczeniowych, która może przyjmować wartość 0 lub 1. Z drugiej strony, kubity mogą reprezentować Możliwych wiele kombinacji 1 i 0 jednocześnie

Dzięki splątaniu kubitów połączona niejasność kwantowa jedynek i zer może działać jak szybkie kalkulatory w specjalnie zaprojektowanych algorytmach.

Cząsteczki, będące jednostkami bardziej złożonymi niż atomy czy cząstki, mają więcej nieodłącznych właściwości lub stanów, które można łączyć ze sobą, tworząc kubit.

„W praktyce oznacza to, że istnieją nowe sposoby przechowywania i przetwarzania informacji kwantowej”. On mówi Yucai Lu, absolwent inżynierii elektrycznej i komputerowej w Princeton, który jest współautorem drugiego badania.

„Na przykład cząsteczka może wibrować i obracać się w wielu trybach. Można więc użyć dwóch z tych trybów do zakodowania kubitu. Jeśli gatunek molekularny jest polarny, dwie cząsteczki mogą oddziaływać na siebie, nawet jeśli są od siebie przestrzennie oddzielone”.

Obydwa zespoły wytworzyły ultrazimne cząsteczki monofluorku wapnia (CaF), a następnie uwięziły je, jedna po drugiej, w pęsecie optycznej.

Używając tych ściśle skupionych wiązek światła laserowego, cząsteczki umieszczono parami, na tyle blisko, że cząsteczka CaF mogła wyczuć elektryczne oddziaływanie dipolowe dalekiego zasięgu swojego partnera. To związało każdą parę cząsteczek w splątany stan kwantowy na krótko przed tym, zanim stały się dziwne.

Metoda ta, poprzez precyzyjną manipulację pojedynczymi cząsteczkami, „toruje drogę do rozwoju nowych, wszechstronnych platform dla technologii kwantowych”. On pisze Augusto Summerzi, fizyk z Krajowej Rady ds. Badań Naukowych we Włoszech, w towarzyszącej perspektywie.

Summerzy nie był zaangażowany w badania, ale widzi w nich potencjał. Mówi, że wykorzystując oddziaływania dipolowe cząsteczek, system może pewnego dnia zostać wykorzystany do opracowania ultraczułych czujników kwantowych zdolnych do wykrywania ultrasłabych pól elektrycznych.

„Zastosowania obejmują elektroencefalografię do pomiaru aktywności elektrycznej mózgu, monitorowanie zmian pól elektrycznych w skorupie ziemskiej i przewidywanie trzęsień ziemi”. Spekuluje.

Obydwa badania zostały opublikowane w Nauki, Tutaj I Tutaj.