Weil sie so groß und schwer zu manipulieren sind, haben sich Moleküle lange Zeit den Versuchen der Physiker widersetzt, sie in einen Zustand kontrollierter Quantenverschränkung zu locken, in dem Moleküle auch aus großer Entfernung eng miteinander verbunden sind.
Jetzt ist es erstmals zwei getrennten Teams gelungen, Paare ultrakalter Moleküle mit derselben Methode zu verschränken: mikroskopisch präzisen optischen „Pinzettenfallen“.
Quantenverschränkung ist ein seltsames, aber grundlegendes Phänomen in der Quantenwelt, das Physiker auszunutzen versuchen, um die ersten kommerziellen Quantencomputer zu entwickeln.
Alle Objekte – von Elektronen über Atome bis hin zu Molekülen und sogar ganzen Galaxien – können theoretisch als Spektrum von Möglichkeiten beschrieben werden, bevor sie beobachtet werden. Erst durch die Vermessung der Immobilie gelangt das Rad des Zufalls zu einer eindeutigen Beschreibung.
Wenn zwei Objekte miteinander verschränkt sind, dient das Wissen über die Eigenschaften eines Objekts – seine Drehung, Position oder sein Impuls – sofort als Analogie für das andere und bringt beide potenziellen Rotationsräder zum völligen Stillstand.
Bisher ist es Forschern in Laborexperimenten gelungen, Ionen, Photonen, Atome und supraleitende Schaltkreise zu verbinden. Vor drei Jahren hat beispielsweise ein Team Billionen Atome in ein „heißes und chaotisches“ Gas gebunden. Beeindruckend, aber nicht sehr praktisch.
Auch Physiker waren verwickelt Atom und Molekül Schon vorher Biologische Komplexe Kommt in Pflanzenzellen vor. Eine schwierigere Aufgabe war es jedoch, Paare einzelner Moleküle zu kontrollieren und zu manipulieren – mit ausreichender Präzision für Quantencomputerzwecke.
Moleküle sind schwer abzukühlen und interagieren leicht mit ihrer Umgebung, was bedeutet, dass sie leicht aus fragilen Quantenverschränkungszuständen herausfallen Dekohärenz).
Ein Beispiel für solche Interaktionen ist Dipol-Dipol-Wechselwirkungen: Die Art und Weise, wie das positive Ende eines polaren Moleküls zum negativen Ende eines anderen Moleküls gezogen werden kann.
Aber genau diese Eigenschaften machen Moleküle zu vielversprechenden Kandidaten für Qubits im Quantencomputing, weil sie neue Möglichkeiten für die Berechnung bieten.
„Ihre weitreichenden molekularen Spinzustände bilden starke Qubits und sorgen gleichzeitig für weitreichende Dipolwechselwirkungen zwischen den Molekülen Quantenverschränkung„,“ Er erklärt Der Harvard-Physiker Yicheng Bao und seine Kollegen in ihrer Arbeit.
Qubits sind die Quantenversion der klassischen Rechenbits, die einen Wert von 0 oder 1 annehmen können. Qubits hingegen können repräsentieren Viele Kombinationen möglich 1 und 0 gleichzeitig
Durch die Verschränkung von Qubits kann die kombinierte Quantenunschärfe von Einsen und Nullen in speziell entwickelten Algorithmen als schnelle Rechner dienen.
Moleküle sind komplexere Gebilde als Atome oder Teilchen und verfügen über mehr inhärente Eigenschaften oder Zustände, die miteinander gekoppelt werden können, um ein Qubit zu bilden.
„In der Praxis bedeutet das, dass es neue Möglichkeiten gibt, Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten.“ sagen Yucai Lu, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik in Princeton, der die zweite Studie mitverfasst hat.
„Zum Beispiel kann ein Molekül in mehreren Modi schwingen und rotieren. Man kann also zwei dieser Modi verwenden, um ein Qubit zu kodieren. Wenn eine Molekülspezies polar ist, können zwei Moleküle interagieren, selbst wenn sie räumlich getrennt sind.“
Beide Teams stellten ultrakalte Calciummonofluorid (CaF)-Moleküle her und fingen sie dann einzeln in optischen Pinzetten ein.
Mithilfe dieser eng fokussierten Laserlichtstrahlen wurden die Moleküle paarweise so nahe platziert, dass das CaF-Molekül die weitreichende elektrische Dipolwechselwirkung seines Partners spüren konnte. Dadurch wurde jedes Molekülpaar in einen verschränkten Quantenzustand gebunden, kurz bevor es seltsam wurde.
Diese Methode ebnet durch die präzise Manipulation einzelner Moleküle „den Weg für die Entwicklung neuer, vielseitiger Plattformen für Quantentechnologien.“ schreiben Augusto Smerzi, Physiker am Nationalen Forschungsrat Italiens, in einer begleitenden Perspektive.
Summerzy war nicht an der Forschung beteiligt, aber er sieht ihr Potenzial. Durch die Ausnutzung der Dipolwechselwirkungen von Molekülen könnte das System eines Tages möglicherweise zur Entwicklung hochempfindlicher Quantensensoren genutzt werden, die in der Lage sind, ultraschwache elektrische Felder zu erkennen.
„Die Anwendungen reichen von der Elektroenzephalographie zur Messung der elektrischen Aktivität im Gehirn über die Überwachung von Veränderungen elektrischer Felder in der Erdkruste bis hin zur Vorhersage von Erdbeben.“ Er spekuliert.
Die beiden Studien wurden in veröffentlicht Wissenschaften, Hier Und Hier.
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