science >> Wetenschap >  >> Fysica

In een nieuwe stap in de richting van kwantumtechnologie, wetenschappers synthetiseren heldere kwantumbits

Afstudeerstudent Berk Kovos, postdoctoraal wetenschapper Sam Bayliss, en afgestudeerde student Peter Mintun (van links naar rechts) werken aan qubit-technologie in het Awschalom-lab in de Pritzker School of Molecular Engineering. Krediet:Pratiti Deb, Universiteit van Chicago

Met hun vermogen om de vreemde krachten van de kwantummechanica te benutten, qubits vormen de basis voor potentieel wereldveranderende technologieën, zoals krachtige nieuwe typen computers of ultraprecieze sensoren.

Qubits (afkorting van quantumbits) zijn vaak gemaakt van dezelfde halfgeleidende materialen als onze alledaagse elektronica. Maar een interdisciplinair team van natuurkundigen en scheikundigen van de University of Chicago en Northwestern University heeft een nieuwe methode ontwikkeld om op maat gemaakte qubits te maken:door moleculen chemisch te synthetiseren die kwantuminformatie coderen in hun magnetische, of "draai, " stelt.

Deze nieuwe bottom-upbenadering kan uiteindelijk leiden tot kwantumsystemen met buitengewone flexibiliteit en controle, helpen de weg vrijmaken voor de volgende generatie kwantumtechnologie.

"Dit is een proof-of-concept van een krachtige en schaalbare kwantumtechnologie, " zei David Awschalom, de Liew Family Professor in Molecular Engineering aan de Pritzker School of Molecular Engineering (PME), die samen met zijn collega Danna Freedman het onderzoek leidde, hoogleraar scheikunde aan de Northwestern University. "We kunnen de technieken van moleculair ontwerp gebruiken om nieuwe atomaire systemen voor kwantuminformatiewetenschap te creëren. Het samenbrengen van deze twee gemeenschappen zal de interesse vergroten en heeft het potentieel om kwantumdetectie en -berekening te verbeteren."

De resultaten werden op 12 november gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Qubits werken door gebruik te maken van een fenomeen dat superpositie wordt genoemd. Terwijl de klassieke bits die door conventionele computers worden gebruikt, 1 of 0 meten, een qubit kan tegelijkertijd zowel 1 als 0 zijn.

Het team wilde een nieuwe bottom-up benadering vinden om moleculen te ontwikkelen waarvan de spintoestanden kunnen worden gebruikt als qubits, en kan gemakkelijk worden gekoppeld aan de buitenwereld. Om dit te doen, ze gebruikten organometallische chroommoleculen om een ​​spintoestand te creëren die ze konden beheersen met licht en microgolven.

Door de moleculen te exciteren met nauwkeurig gecontroleerde laserpulsen en het uitgestraalde licht te meten, ze konden de spintoestand van de moleculen "lezen" nadat ze in een superpositie waren geplaatst - een belangrijke vereiste om ze in kwantumtechnologieën te gebruiken

Door slechts een paar verschillende atomen op deze moleculen te variëren door middel van synthetische chemie, ze waren ook in staat om zowel hun optische als magnetische eigenschappen te wijzigen, het benadrukken van de belofte voor op maat gemaakte moleculaire qubits.

"De afgelopen decennia hebben van optisch adresseerbare spins in halfgeleiders is aangetoond dat ze extreem krachtig zijn voor toepassingen zoals quantum-enhanced sensing, " zei Awschalom, die tevens directeur is van de Chicago Quantum Exchange en directeur van Q-NEXT, een Department of Energy National Quantum Information Science Research Center onder leiding van Argonne National Laboratory. "Het vertalen van de fysica van deze systemen in een moleculaire architectuur opent een krachtige toolbox van synthetische chemie om nieuwe functionaliteit mogelijk te maken die we nog maar net beginnen te verkennen."

"Onze resultaten openen een nieuw gebied van synthetische chemie. We hebben aangetoond dat synthetische controle van symmetrie en binding qubits creëert die op dezelfde manier kunnen worden aangepakt als defecten in halfgeleiders, " zei Freedman. "Onze bottom-up benadering maakt zowel functionalisering van individuele eenheden als 'designer-qubits' voor doeltoepassingen mogelijk en het creëren van arrays van gemakkelijk controleerbare kwantumtoestanden, biedt de mogelijkheid van schaalbare kwantumsystemen."

Een mogelijke toepassing voor deze moleculen zouden kwantumsensoren kunnen zijn die zijn ontworpen om zich op specifieke moleculen te richten. Dergelijke sensoren kunnen specifieke cellen in het lichaam vinden, detecteren wanneer voedsel bederft, of zelfs gevaarlijke chemicaliën spotten.

Deze bottom-up benadering kan ook helpen om kwantumtechnologieën te integreren met bestaande klassieke technologieën.

"Sommige van de uitdagingen waarmee kwantumtechnologieën worden geconfronteerd, kunnen misschien worden overwonnen met deze heel andere bottom-upbenadering, " zei Sam Bayliss, een postdoctoraal onderzoeker in de Awschalom Group aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago en co-eerste auteur van het papier. "Het gebruik van moleculaire systemen in light-emitting diodes was een transformatieve verschuiving; misschien zou iets soortgelijks kunnen gebeuren met moleculaire qubits."

Daniël Laorenza, een afgestudeerde student aan de Northwestern University en co-eerste auteur, ziet een enorm potentieel voor chemische innovatie in deze ruimte. "Deze chemisch specifieke controle over de omgeving rond de qubit biedt een waardevolle functie om optisch adresseerbare moleculaire qubits te integreren in een breed scala aan omgevingen, " hij zei.