Moleculen hebben een zeer ingewikkelde en rijke structuur, waardoor ze vrij kunnen draaien en trillen. Als resultaat, ze hebben een bijna onbeperkte ruimte waarin computerwetenschappers kwantuminformatie kunnen coderen. Naast hun enorme interne ruimte, moleculen zijn in staat tot langeafstandsinteracties en kunnen dus verstrengeld raken met andere afzonderlijke moleculen.

Door deze voordelige eigenschappen, veel ingenieurs en natuurkundigen hebben het mogelijke gebruik van moleculen voor kwantumcomputertoepassingen onderzocht. Hoewel sommige op moleculen gebaseerde kwantumcomputers veelbelovende resultaten hebben bereikt, wetenschappers hebben ontdekt dat qubits die zijn opgeslagen in moleculen gevoelig zijn voor decoherentie (d.w.z. een verlies van informatie die van een kwantumsysteem naar zijn omgeving reist).

Onderzoekers van de Universiteit van Durham in het Verenigd Koninkrijk hebben onlangs een studie uitgevoerd om het potentieel van het opslaan van kwantuminformatie in ultrakoude polaire moleculen te onderzoeken. In hun krant gepubliceerd in Natuurfysica , het team heeft met succes de opslag van qubits in moleculen aangetoond terwijl de decoherentie werd beperkt, die belangrijke implicaties kunnen hebben voor de ontwikkeling van kwantumcomputertools.

"Een van de grote uitdagingen waarmee alle kwantumberekeningsplatforms worden geconfronteerd, is het ontwikkelen van technische methoden die voorkomen dat kwantuminformatie verloren gaat door decoherentie, Philip D. Gregory en Simon L. Cornish, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org via e-mail. "Ons primaire doel was daarom om aan te tonen dat kwantuminformatie uitzonderlijk lang in een molecuul kan worden opgeslagen, daarmee inspelen op een van de vereisten voor het bouwen van een kwantumcomputer met behulp van ultrakoude moleculen."

Het primaire doel van het recente werk van Gregory, Cornish en hun collega's moesten identificeren, begrijpen en uiteindelijk elimineren van alle experimenteel relevante bronnen van decoherentie in qubits die zijn opgeslagen in moleculen. aanvankelijk, het team heeft de coherentie in hun kwantumsysteem gemeten met behulp van een techniek die bekend staat als Ramsey-interferometrie in verschillende toestanden van de qubit. Vervolgens maakten ze een superpositie van de qubit-toestanden met behulp van microgolven en lieten het systeem in de loop van de tijd evolueren.

"Om de samenhang te testen, we gebruikten een tweede microgolfpuls die leidt tot faseafhankelijke interferentie tussen de staatspopulaties, Gregory en Cornish legden uit. "Wat we hebben waargenomen zijn schommelingen in het aantal moleculen in beide toestanden van de qubit als functie van de tijd, en we ontdekten ook dat decoherentie wordt gekenmerkt door een vermindering van de amplitude of het contrast van die oscillaties."

Met behulp van hun op microgolfpulsen gebaseerde methode, Gregorius, Cornish en hun collega's waren in staat om de coherentietijd te onderzoeken als een functie van elke parameter die in hun experiment werd gebruikt (bijv. het magnetische veld of de polarisatie van het vanglicht), eenvoudig door de waarde van de parameter voor de periode tussen de microgolfpulsen in de Ramsey-reeks te wijzigen. Eindelijk, ze vergeleken hun bevindingen met een gedetailleerd model van de rotatie- en hyperfijnstructuur van het molecuul waarin de qubits waren opgeslagen. Hierdoor konden ze de unieke rollen van verschillende interacties binnen het molecuul begrijpen die kunnen bijdragen aan het verlies van coherentie van het systeem.

"Onze belangrijkste prestatie is de eliminatie van decoherentiebronnen in ons experiment, Gregory en Cornish zeiden. "Dit heeft implicaties voor kwantumcomputers met ultrakoude moleculen, omdat kwantuminformatie nu voor veel langere tijd kan worden opgeslagen."

In hun experiment hebben de onderzoekers waren in staat om de gevoeligheid voor magnetische veldruis te elimineren door een paar hyperfijne toestanden te identificeren die, wanneer onderworpen aan een specifiek magnetisch veld, hebben een energieverschil tussen hen dat niet afhankelijk is van kleine veranderingen in het magnetische veld. In aanvulling, Gregorius, Cornish en hun collega's ontdekten een subtiele tensorlichtverschuiving tussen de qubit-toestanden. Niettemin, ze toonden aan dat deze verschuiving ook kon worden geëlimineerd door de polarisatiehoek van de vanglaser zorgvuldig te kiezen.

"Opmerkelijk, al deze bronnen van decoherentie hebben geëlimineerd, we ontdekten dat de coherentietijd veel langer was dan de levensduur van ons moleculaire gas (dat wordt beperkt door botsingsverlies), ' zeiden Gregory en Cornish.

In de toekomst, dit werk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën die informatie opslaan in moleculen. In aanvulling, het kan waardevolle implicaties hebben voor het verzamelen van metingen, zoals de technieken die Gregory gebruikte, Cornish en hun collega's maken bijzonder lange interactietijden met moleculen mogelijk. Dit betekent dat het kan worden gebruikt om zeer nauwkeurige metingen te verzamelen bij hyperfijne toestanden van moleculen, wat op zijn beurt het huidige begrip van hun interne structuur zou kunnen verbreden.

"Poortoperaties met ultrakoude moleculen zijn mogelijk met behulp van resonante dipool-dipoolinteracties, Gregory en Cornish zeiden. "Zulke interacties kunnen worden bereikt met behulp van de rotatietoestanden van het molecuul. We ontwikkelen momenteel een roterende magische val, waarbij de lichtverschuiving van de grond en de eerste rotatiegeëxciteerde toestanden identiek zullen zijn. Zo'n val ondersteunt een lange coherentie tussen rotatietoestanden, wat belangrijk zal zijn voor het implementeren van hifi-verstrengelingspoorten, evenals het bestuderen van modellen die relevant zijn voor kwantummagnetisme."

Voor verschillende kwantumcomputertoepassingen, het gebruik van ultrakoude moleculen is alleen mogelijk als moleculen zijn opgesloten in een controleerbare ruimtelijke array en individueel kunnen worden gecontroleerd en benaderd. Gregorius, Cornish en hun collega's werken nu dus ook aan een strategie om moleculen in optische roosters te laden en individuele moleculen in arrays te assembleren, ze op te slaan in optische pincetvallen.

"Door de moleculen op deze manier te isoleren, worden ook botsingen tussen moleculen voorkomen, " Gregory en Cornish voegden toe. "Dit zal de beschikbare interactietijd verder vergroten en ons in staat stellen om in de toekomst betere limieten te stellen aan de coherentietijd."

© 2021 Science X Network