Onderzoekers hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het lang gezochte doel van een kwantumcomputer, die in theorie in staat zou moeten zijn tot veel snellere berekeningen dan conventionele computers, voor bepaalde soorten problemen. Het nieuwe werk laat zien dat verzamelingen van ultrakoude moleculen de informatie die erin is opgeslagen, kunnen vasthouden. honderden keren langer dan onderzoekers eerder in deze materialen hebben bereikt.

Deze moleculen met twee atomen zijn gemaakt van natrium en kalium en werden afgekoeld tot een temperatuur van slechts enkele tienmiljoenste graad boven het absolute nulpunt (gemeten in honderden nanokelvins, of nK). De resultaten worden beschreven in een rapport deze week in Wetenschap , door Martin Zwierlein, een MIT-professor in de natuurkunde; Jee Woo Park, een voormalige MIT-afgestudeerde student; Sebastiaan Wil, een voormalig onderzoeker aan het MIT en nu een assistent-professor aan de Columbia University, en twee anderen, allemaal in het MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Er worden veel verschillende benaderingen bestudeerd als mogelijke manieren om qubits te maken, de basisbouwstenen van lang getheoretiseerde maar nog niet volledig gerealiseerde kwantumcomputers. Onderzoekers hebben geprobeerd supergeleidende materialen te gebruiken, ionen vastgehouden in ionenvallen, of individuele neutrale atomen, evenals moleculen van verschillende complexiteit. De nieuwe aanpak maakt gebruik van een cluster van zeer eenvoudige moleculen gemaakt van slechts twee atomen.

"Moleculen hebben meer 'handvatten' dan atomen, "Zwierlein zegt, wat betekent dat er meer manieren zijn om met elkaar en met invloeden van buitenaf om te gaan. "Ze kunnen trillen, ze kunnen draaien, en in feite kunnen ze sterk met elkaar interageren, waar atomen het moeilijk mee hebben. Typisch, atomen moeten elkaar echt ontmoeten, bijna op elkaar zijn, voordat ze zien dat er een ander atoom is om mee te communiceren, terwijl moleculen elkaar over relatief grote afstanden kunnen zien. Om deze qubits met elkaar te laten praten en berekeningen uit te voeren, het gebruik van moleculen is een veel beter idee dan het gebruik van atomen, " hij zegt.

Het gebruik van dit soort twee-atoommoleculen voor de verwerking van kwantuminformatie "was enige tijd geleden gesuggereerd, " zegt Park, "en dit werk demonstreert de eerste experimentele stap in de richting van het realiseren van dit nieuwe platform, dat is dat kwantuminformatie voor langere tijd kan worden opgeslagen in dipolaire moleculen."

"Het meest verbazingwekkende is dat [deze] moleculen een systeem zijn waarmee zowel de opslag als de verwerking van kwantuminformatie kan worden gerealiseerd, met hetzelfde fysieke systeem, " Zegt Will. "Dat is eigenlijk een vrij zeldzame functie die helemaal niet typisch is voor de qubit-systemen die tegenwoordig het meest worden overwogen."

In de eerste proof-of-principle laboratoriumtests van het team, een paar duizend van de eenvoudige moleculen zaten in een microscopisch kleine gaswolk, gevangen op de kruising van twee laserstralen en afgekoeld tot ultrakoude temperaturen van ongeveer 300 nanokelvin. "Hoe meer atomen je in een molecuul hebt, hoe moeilijker het wordt om ze af te koelen, "Zwierlein zegt, dus kozen ze voor deze eenvoudige structuur met twee atomen.

De moleculen hebben drie belangrijke kenmerken:rotatie, trillingen, en de draairichting van de kernen van de twee individuele atomen. Voor deze experimenten is de onderzoekers kregen de moleculen perfect onder controle in termen van alle drie de kenmerken - dat wil zeggen, in de laagste trillingstoestand, rotatie, en kernspinuitlijning.

"We zijn al heel lang in staat moleculen te vangen, en ook aantonen dat ze kwantuminformatie kunnen dragen en deze lange tijd kunnen vasthouden, " zegt Zwierlein. En dat, hij zegt, is "een van de belangrijkste doorbraken of mijlpalen die men moet hebben voordat men hoopt een kwantumcomputer te bouwen, dat is een veel gecompliceerder streven."

Het gebruik van natrium-kaliummoleculen biedt een aantal voordelen, zegt Zwierlein. Voor een ding, "het molecuul is chemisch stabiel, dus als een van deze moleculen een andere ontmoet, breken ze niet uit elkaar."

In de context van kwantumcomputers, de "lange tijd" waarnaar Zwierlein verwijst is één seconde - wat "in feite in de orde van duizend keer langer is dan een vergelijkbaar experiment dat is gedaan" met behulp van rotatie om de qubit te coderen, hij zegt. “Zonder aanvullende maatregelen, dat experiment gaf een milliseconde, maar dit was al geweldig." Met de methode van dit team, de inherente stabiliteit van het systeem betekent "je krijgt een volledige seconde gratis".

Dat suggereert, hoewel het nog moet worden bewezen, dat zo'n systeem duizenden kwantumberekeningen zou kunnen uitvoeren, bekend als poorten, in volgorde binnen die seconde van coherentie. De uiteindelijke resultaten kunnen dan optisch worden "gelezen" door een microscoop, het onthullen van de uiteindelijke toestand van de moleculen.

"We hebben sterke hoop dat we één zogenaamde poort kunnen doen - dat is een operatie tussen twee van deze qubits, zoals toevoeging, aftrekken, of dat soort equivalent - in een fractie van een milliseconde, " zegt Zwierlein. "Als je naar de verhouding kijkt, je zou kunnen hopen 10 te doen, 000 tot 100, 000 poortoperaties in de tijd dat we de coherentie in de steekproef hebben. Dat is genoemd als een van de vereisten voor een kwantumcomputer, om dat soort verhouding van poortoperaties tot coherentietijden te hebben."

"Het volgende grote doel zal zijn om met individuele moleculen te 'praten'. Dan hebben we het echt over kwantuminformatie, " Zegt Will. "Als we één molecuul kunnen vangen, we kunnen er twee vangen. En dan kunnen we nadenken over het implementeren van een 'quantum gate-operatie' - een elementaire berekening - tussen twee moleculaire qubits die naast elkaar zitten, " hij zegt.

Met behulp van een array van misschien 1, 000 van dergelijke moleculen, Zwierlein zegt, zou het mogelijk maken om berekeningen uit te voeren die zo complex zijn dat geen enkele bestaande computer zelfs maar zou kunnen beginnen met het controleren van de mogelijkheden. Hoewel hij benadrukt dat dit nog een vroege stap is en dat dergelijke computers nog wel een decennium of langer weg kunnen zijn, in principe zou zo'n apparaat de huidige hardnekkige problemen zoals het ontbinden van zeer grote getallen snel kunnen oplossen - een proces waarvan de moeilijkheid de basis vormt van de beste versleutelingssystemen van vandaag voor financiële transacties.

Naast kwantumcomputers, het nieuwe systeem biedt ook de mogelijkheid voor een nieuwe manier om precisiemetingen en kwantumchemie uit te voeren, zegt Zwierlein.