Voor het eerst is een team van natuurkundigen uit Princeton erin geslaagd individuele moleculen met elkaar te verbinden in speciale toestanden die kwantummechanisch ‘verstrengeld’ zijn. In deze bizarre toestanden blijven de moleculen met elkaar gecorreleerd – en kunnen ze tegelijkertijd interageren – zelfs als ze kilometers uit elkaar liggen, of zelfs als ze tegenover elkaar gelegen uiteinden van het universum bezetten. Dit onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science .

"Dit is een doorbraak in de wereld van moleculen vanwege het fundamentele belang van kwantumverstrengeling", zegt Lawrence Cheuk, assistent-professor natuurkunde aan de Princeton University en senior auteur van het artikel. "Maar het is ook een doorbraak voor praktische toepassingen, omdat verstrengelde moleculen de bouwstenen kunnen zijn voor veel toekomstige toepassingen."

Hiertoe behoren bijvoorbeeld kwantumcomputers die bepaalde problemen veel sneller kunnen oplossen dan conventionele computers, kwantumsimulators die complexe materialen kunnen modelleren waarvan het gedrag moeilijk te modelleren is, en kwantumsensoren die sneller kunnen meten dan hun traditionele tegenhangers.

"Een van de motivaties bij het beoefenen van kwantumwetenschappen is dat in de praktische wereld blijkt dat als je de wetten van de kwantummechanica benut, je op veel gebieden veel beter kunt presteren", zegt Connor Holland, een afgestudeerde student in de natuurkunde. afdeling en een co-auteur van het werk.

Het vermogen van kwantumapparaten om beter te presteren dan klassieke apparaten staat bekend als 'kwantumvoordeel'. En de kern van kwantumvoordeel zijn de principes van superpositie en kwantumverstrengeling. Terwijl een klassiek computerbit de waarde 0 of 1 kan aannemen, kunnen kwantumbits, qubits genoemd, zich tegelijkertijd in een superpositie van 0 en 1 bevinden.

Dit laatste concept, verstrengeling, is een belangrijke hoeksteen van de kwantummechanica en ontstaat wanneer twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden raken, zodat deze verbinding blijft bestaan, zelfs als het ene deeltje lichtjaren verwijderd is van het andere deeltje. Het is het fenomeen dat Albert Einstein, die aanvankelijk de geldigheid ervan in twijfel trok, omschreef als 'spookachtige actie op afstand'.

Sindsdien hebben natuurkundigen aangetoond dat verstrengeling in feite een nauwkeurige beschrijving is van de fysieke wereld en hoe de werkelijkheid is gestructureerd.

"Kwantumverstrengeling is een fundamenteel concept", zegt Cheuk, "maar het is ook het belangrijkste ingrediënt dat kwantumvoordeel oplevert."

Maar het opbouwen van kwantumvoorsprong en het bereiken van beheersbare kwantumverstrengeling blijft een uitdaging, niet in de laatste plaats omdat ingenieurs en wetenschappers nog steeds onduidelijk zijn over welk fysiek platform het beste is voor het maken van qubits.

In de afgelopen decennia zijn veel verschillende technologieën – zoals gevangen ionen, fotonen en supergeleidende circuits, om er maar een paar te noemen – onderzocht als kandidaten voor kwantumcomputers en apparaten. Het optimale kwantumsysteem of qubit-platform kan heel goed afhangen van de specifieke toepassing.

Tot dit experiment hadden moleculen echter lange tijd de beheersbare kwantumverstrengeling getrotseerd. Maar Cheuk en zijn collega's hebben door middel van zorgvuldige manipulatie in het laboratorium een ​​manier gevonden om individuele moleculen te controleren en ze in deze in elkaar grijpende kwantumtoestanden te lokken.

Ze geloofden ook dat moleculen bepaalde voordelen hebben – bijvoorbeeld ten opzichte van atomen – waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor bepaalde toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie en de kwantumsimulatie van complexe materialen. Vergeleken met atomen hebben moleculen bijvoorbeeld meer kwantumvrijheidsgraden en kunnen ze op nieuwe manieren interageren.

"Wat dit in praktische termen betekent, is dat er nieuwe manieren zijn om kwantuminformatie op te slaan en te verwerken", zegt Yukai Lu, een afgestudeerde student elektrotechniek en computertechniek en co-auteur van het artikel. "Een molecuul kan bijvoorbeeld in meerdere modi trillen en roteren. Je kunt dus twee van deze modi gebruiken om een ​​qubit te coderen. Als de moleculaire soort polair is, kunnen twee moleculen interageren, zelfs als ze ruimtelijk gescheiden zijn."

Desalniettemin zijn moleculen notoir moeilijk te controleren in het laboratorium gebleken vanwege hun complexiteit. Juist de vrijheidsgraden die ze aantrekkelijk maken, maken ze ook moeilijk te controleren of bijeen te brengen in laboratoriumomgevingen.

Cheuk en zijn team hebben veel van deze uitdagingen aangepakt via een zorgvuldig doordacht experiment. Ze kozen eerst een moleculaire soort die zowel polair is als kan worden gekoeld met lasers. Vervolgens hebben ze de moleculen met een laser gekoeld tot ultrakoude temperaturen, waarbij de kwantummechanica centraal staat.

Individuele moleculen werden vervolgens opgepikt door een complex systeem van strak gefocusseerde laserstralen, de zogenaamde ‘optische pincetten’. Door de posities van de pincetten te construeren, konden ze grote reeksen afzonderlijke moleculen creëren en deze individueel in elke gewenste eendimensionale configuratie positioneren. Ze creëerden bijvoorbeeld geïsoleerde moleculenparen en defectvrije reeksen moleculen.

Vervolgens codeerden ze een qubit in een niet-roterende en roterende toestand van het molecuul. Ze konden aantonen dat deze moleculaire qubit coherent bleef; dat wil zeggen, het herinnerde zich zijn superpositie. Kortom, de onderzoekers hebben het vermogen aangetoond om goed gecontroleerde en coherente qubits te creëren uit individueel gecontroleerde moleculen.

Om de moleculen te verstrengelen, moesten ze de moleculen met elkaar laten interacteren. Door een reeks microgolfpulsen te gebruiken, konden ze individuele moleculen op een coherente manier met elkaar laten interacteren.

Door de interactie een bepaalde tijd te laten doorgaan, konden ze een poort van twee qubit implementeren die twee moleculen met elkaar verstrengelde. Dit is belangrijk omdat een dergelijke verwarrende poort van twee qubits een bouwsteen is voor zowel universele digitale kwantumcomputers als voor de simulatie van complexe materialen.

Het potentieel van dit onderzoek voor het onderzoeken van verschillende gebieden van de kwantumwetenschap is groot, gezien de innovatieve kenmerken die dit nieuwe platform van moleculaire pincetarrays biedt. In het bijzonder is het Princeton-team geïnteresseerd in het onderzoeken van de fysica van veel op elkaar inwerkende moleculen, die kunnen worden gebruikt om kwantumsystemen met veel lichamen te simuleren waar interessant opkomend gedrag, zoals nieuwe vormen van magnetisme, kan optreden.

"Het gebruik van moleculen voor de kwantumwetenschap is een nieuwe grens, en onze demonstratie van on-demand verstrengeling is een belangrijke stap in het aantonen dat moleculen kunnen worden gebruikt als een levensvatbaar platform voor de kwantumwetenschap", aldus Cheuk.

In een apart artikel gepubliceerd in hetzelfde nummer van Science , behaalde een onafhankelijke onderzoeksgroep onder leiding van John Doyle en Kang-Kuen Ni aan de Harvard University en Wolfgang Ketterle aan het Massachusetts Institute of Technology vergelijkbare resultaten.

"Het feit dat ze dezelfde resultaten kregen, bevestigt de betrouwbaarheid van onze resultaten", zei Cheuk. "Ze laten ook zien dat moleculaire pincetarrays een opwindend nieuw platform voor de kwantumwetenschap aan het worden zijn."

Meer informatie: Connor M. Holland et al., On-demand verstrengeling van moleculen in een herconfigureerbare optische pincetarray, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

Yicheng Bao et al, Dipolaire spin-uitwisseling en verstrengeling tussen moleculen in een optische pincetarray, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

Augusto Smerzi et al, Verstrengeling met uitgetrokken moleculen, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Princeton University