Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology hebben hun controle over de fundamentele eigenschappen van moleculen op kwantumniveau vergroot door een elektrisch geladen atoom en een elektrisch geladen molecuul met elkaar te verbinden of te "verstrengelen", presentatie van een manier om hybride kwantuminformatiesystemen te bouwen die kunnen manipuleren, opslaan en verzenden van verschillende vormen van gegevens.

beschreven in a Natuur paper online geplaatst op 20 mei de nieuwe NIST-methode zou kunnen helpen bij het bouwen van grootschalige kwantumcomputers en -netwerken door kwantumbits (qubits) te verbinden op basis van anders onverenigbare hardware-ontwerpen en werkfrequenties. Quantumsystemen met een gemengd platform kunnen net zo veelzijdig zijn als conventionele computersystemen, die, bijvoorbeeld, kan gegevens uitwisselen tussen een elektronische processor, een optische schijf, en een magnetische harde schijf.

De NIST-experimenten hebben met succes de eigenschappen van een elektron in het atomaire ion verstrengeld met de rotatietoestanden van het molecuul, zodat metingen van het ene deeltje de eigenschappen van het andere deeltje zouden beheersen. Het onderzoek bouwt voort op de demonstratie van dezelfde groep in 2017 van kwantumcontrole van een molecuul, die technieken die lang werden gebruikt om atomen te manipuleren uitbreidde naar de meer gecompliceerde en potentieel vruchtbare arena die wordt geboden door moleculen, samengesteld uit meerdere aan elkaar gebonden atomen.

Moleculen hebben verschillende interne energieniveaus, zoals atomen, maar ook roteren en trillen met veel verschillende snelheden en hoeken. Moleculen kunnen daarom fungeren als bemiddelaars in kwantumsystemen door kwantuminformatie om te zetten over een breed scala aan qubit-frequenties, variërend van enkele duizenden tot enkele biljoenen cycli per seconde. Met trillingen, moleculen zouden zelfs hogere qubitfrequenties kunnen bieden.

"We hebben bewezen dat het atomaire ion en het moleculaire ion verstrengeld zijn, en we hebben ook laten zien dat je een brede selectie van qubit-frequenties in het molecuul krijgt, "NIST-natuurkundige James (Chin-wen) Chou zei.

Een qubit vertegenwoordigt de digitale databits 0 en 1 in termen van twee verschillende kwantumtoestanden, zoals lage en hoge energieniveaus in een atoom. Een qubit kan ook bestaan ​​in een "superpositie" van beide toestanden tegelijk. De NIST-onderzoekers verstrengelden twee energieniveaus van een calciumatoomion met twee verschillende paren rotatietoestanden van een calciumhydridemoleculair ion, dat is een calciumion gebonden aan een waterstofatoom. De moleculaire qubit had een overgangsfrequentie - de snelheid van fietsen tussen twee rotatietoestanden - van ofwel lage energie bij 13,4 kilohertz (kHz, duizenden cycli per seconde) of hoge energie bij 855 miljard cycli per seconde (gigahertz of GHz).

"Moleculen bieden een selectie van overgangsfrequenties en we kunnen kiezen uit vele soorten moleculen, dus dat is een enorm bereik van qubit-frequenties die we in de kwantuminformatiewetenschap kunnen brengen, " zei Chou. "We maken gebruik van overgangen die in de natuur worden gevonden, zodat de resultaten voor iedereen hetzelfde zullen zijn."

De experimenten gebruikten een specifieke formule van blauwe en infrarode laserstralen van verschillende intensiteiten, oriëntaties en pulssequenties om af te koelen, verstrengelen en meten de kwantumtoestanden van de ionen.

Eerst, de NIST-onderzoekers hebben de twee ionen gevangen en afgekoeld tot hun laagste energietoestand. Het paar stootte elkaar af vanwege hun fysieke nabijheid en positieve elektrische ladingen, en de afstoting werkte als een veer die hun beweging blokkeerde. Laserpulsen voegden energie toe aan de rotatie van het molecuul en creëerden een superpositie van rotatietoestanden met lage en hoge energie, die ook een gemeenschappelijke motie op gang bracht, dus de twee ionen begonnen tegelijk te schommelen of te slingeren, in dit geval in tegengestelde richting.

De rotatie van het molecuul was dus verstrengeld met zijn beweging. Meer laserpulsen maakten gebruik van de gedeelde beweging van de twee ionen om het atomaire ion in een superpositie van lage en hoge energieniveaus te brengen. Op deze manier, verstrengeling werd overgebracht van de beweging om het atoom te omvatten. De onderzoekers bepaalden de toestand van het atomaire ion door er met een laser op te schijnen en de fluorescentie ervan te meten, of hoeveel licht het verstrooide.

De NIST-onderzoekers demonstreerden de techniek met twee sets van de rotatie-eigenschappen van het molecuul, met succes 87% van de tijd verstrengeling bereiken met een paar met lage energie (qubit) en 76% van de tijd met een paar met hogere energie. In het geval van lage energie, het molecuul draaide onder twee enigszins verschillende hoeken, als een topje, maar in beide staten tegelijk. In het geval van hoge energie, het molecuul draaide met twee snelheden tegelijk, gescheiden door een groot snelheidsverschil.

Het nieuwe werk werd mogelijk gemaakt door de kwantumlogica-technieken die in het experiment van 2017 werden getoond. De onderzoekers pasten pulsen van infrarood laserlicht toe om te schakelen tussen twee van de meer dan 100 mogelijke rotatietoestanden van het molecuul. De onderzoekers wisten dat deze overgang plaatsvond omdat er een bepaalde hoeveelheid energie werd toegevoegd aan de gedeelde beweging van de twee ionen. De onderzoekers wisten dat de ionen verstrengeld waren op basis van de lichtsignalen die het atoomion afgeeft.

De nieuwe methoden kunnen worden gebruikt met een breed scala aan moleculaire ionen die zijn samengesteld uit verschillende elementen, met een brede selectie van qubit-eigenschappen.

De aanpak zou verschillende soorten qubits kunnen verbinden die op verschillende frequenties werken, zoals atomen en supergeleidende systemen of lichte deeltjes, inclusief die in telecommunicatie- en microgolfcomponenten. Naast toepassingen in kwantuminformatie, de nieuwe technieken kunnen ook nuttig zijn bij het maken van kwantumsensoren of het uitvoeren van kwantumversterkte chemie.