Het concept van 'symmetrie' is essentieel voor de fundamentele fysica:een cruciaal element in alles, van subatomaire deeltjes tot macroscopische kristallen. Dienovereenkomstig kan een gebrek aan symmetrie - of asymmetrie - de eigenschappen van een bepaald systeem drastisch beïnvloeden.

Qubits, de kwantumanaloog van computerbits voor kwantumcomputers, zijn extreem gevoelig - de kleinste verstoring in een qubit-systeem is genoeg om alle kwantuminformatie te verliezen die het zou kunnen bevatten. Gezien deze kwetsbaarheid lijkt het intuïtief dat qubits het meest stabiel zouden zijn in een symmetrische omgeving. Voor een bepaald type qubit - een moleculaire qubit - is echter het tegenovergestelde waar.

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago, de Universiteit van Glasgow en het Massachusetts Institute of Technology hebben ontdekt dat moleculaire qubits veel stabieler zijn in een asymmetrische omgeving, waardoor de mogelijke toepassingen van dergelijke qubits worden uitgebreid, vooral als biologische kwantumsensoren.

Het werk werd in augustus gepubliceerd in Physical Review X .

"Moleculaire qubits zijn opmerkelijk veelzijdig, omdat ze op maat kunnen worden ontworpen en in verschillende omgevingen kunnen worden geplaatst", zegt David Awschalom, de Liew Family Professor in Molecular Engineering and Physics aan UChicago, senior scientist bij Argonne, directeur van de Chicago Quantum Exchange, en directeur van Q-NEXT, een Department of Energy Quantum Information Science Center. "Het ontwikkelen van deze methode om ze te stabiliseren opent nieuwe deuren voor mogelijke toepassingen van deze opkomende technologie."

Om een ​​systeem als een qubit te gebruiken, moet het twee kwantumtoestanden hebben die kunnen overeenkomen met "0" en "1", zoals in een klassieke computer. Maar kwantumtoestanden zijn kwetsbaar en zullen instorten als ze op enigerlei wijze verstoord worden. Kwantumwetenschappers hebben de grenzen verlegd van hoe lang ze een qubit een kwantumtoestand kunnen laten vasthouden voordat het instort, ook wel bekend als 'coherentietijd'.

Het afschermen van qubits tegen zoveel mogelijk externe invloeden is een manier om hun coherentietijd te vergroten, en door de moleculaire qubits in een asymmetrische kristalreeks te plaatsen, ontdekten Awschalom en zijn team dat bepaalde kwantumtoestanden veel minder gevoelig waren voor externe magnetische velden, en had dus langere coherentietijden:10 µs, vergeleken met 2 µs voor identieke qubits in een symmetrische kristalreeks.

Dan Laorenza, een afgestudeerde scheikundestudent aan het MIT die aan het project werkte, zegt dat de asymmetrische omgeving "coherentiebescherming" biedt waardoor de qubits hun kwantuminformatie kunnen behouden, zelfs als ze op meer chaotische plaatsen worden geplaatst.

"We begrijpen nu een direct en betrouwbaar mechanisme om de coherentie van moleculaire qubits in magnetisch lawaaierige omgevingen te verbeteren," zei hij. "Het belangrijkste is dat deze asymmetrische omgeving gemakkelijk kan worden vertaald naar veel andere moleculaire systemen, vooral voor moleculen die in amorfe omgevingen worden geplaatst zoals die in de biologie worden gevonden."

Qubit-kwantumsensoren hebben talloze potentiële toepassingen in biologische systemen, vooral in medische contexten; maar deze systemen staan ​​bekend als ongestructureerd en lawaaierig, wat het handhaven van de samenhang van deze qubit-sensoren een zeer moeilijke uitdaging maakt. Leren waarom een ​​asymmetrische omgeving moleculaire qubits stabiliseert tegen magnetische velden, zou kunnen leiden tot betere sensoren in deze onderzoeksgebieden. + Verder verkennen

Volledige controle over een zes-qubit kwantumprocessor in silicium