Los físicos ‘poseen’ moléculas individuales por primera vez, acelerando las posibilidades de la computación cuántica

Por primera vez, un equipo de físicos de Princeton ha podido vincular moléculas individuales en estados específicos que quedan «atrapados» mecánicamente cuánticamente. En estas extrañas situaciones, las moléculas permanecen conectadas entre sí (y pueden interactuar simultáneamente) incluso si están a kilómetros de distancia, o incluso si ocupan extremos opuestos del universo. Esta investigación fue publicada recientemente en la revista ciencia.

«Este es un gran avance en el mundo de las moléculas debido a la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico», afirmó Lawrence Cheek, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton y autor principal del artículo. «Pero también es un gran avance para aplicaciones prácticas, porque la molécula congelada podría ser un componente básico para muchas aplicaciones futuras».

Estos incluyen, por ejemplo, computadoras cuánticas que pueden resolver ciertos problemas mucho más rápido que las computadoras tradicionales, simuladores cuánticos que pueden modelar materiales complejos cuyo comportamiento es difícil de modelar y sensores cuánticos que pueden escalar más rápido que sus contrapartes tradicionales.

«Una de las motivaciones para hacer ciencia cuántica es que en el mundo práctico resulta que si se utilizan las leyes de la mecánica cuántica, se puede hacerlo mucho mejor en muchos campos», dijo Connor Holland, un estudiante de posgrado en física. . Autor conjunto sobre departamento y trabajo.

La capacidad de los dispositivos cuánticos para hacer más que los dispositivos clásicos se conoce como «ventaja cuántica». Y las ventajas cuánticas se basan en los principios de superposición y entrelazamiento cuántico. Mientras que un bit de computadora clásico puede asumir el valor de 0 o 1, los bits cuánticos, llamados qubits, pueden ser una superposición de 0 y 1 al mismo tiempo.

El último concepto, el entrelazamiento, es un fundamento importante de la mecánica cuántica y ocurre cuando dos partículas se unen de tal manera que el entrelazamiento permanece, incluso si una partícula está a años luz de la otra. Es este fenómeno el que Albert Einstein, el primero en cuestionar su validez, lo describió como «acción espeluznante a distancia».

Desde entonces, los físicos han demostrado que el entrelazamiento es, de hecho, una descripción precisa del mundo físico y de cómo está estructurada la realidad.

«El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental», dijo Cheuk, «pero también es el ingrediente clave que otorga la ventaja cuántica».

Pero construir ventajas cuánticas y lograr un entrelazamiento cuántico controlable sigue siendo un desafío, sobre todo porque los ingenieros y científicos aún no tienen claro qué plataforma física es mejor para construir qubits.

En las últimas décadas, se han explorado muchas tecnologías diferentes (como iones atrapados, fotones y circuitos superconductores, por nombrar sólo algunas) como candidatas para computadoras y dispositivos cuánticos. El mejor sistema cuántico o plataforma qubit puede depender de la aplicación específica.

Sin embargo, hasta este experimento, las moléculas habían eludido durante mucho tiempo el entrelazamiento cuántico controlable. Pero Chew y sus colegas encontraron una manera, mediante una cuidadosa manipulación en el laboratorio, de controlar moléculas individuales y combinarlas en estados cuánticos coherentes.

También creían que las moléculas tienen ciertas ventajas (sobre los átomos, por ejemplo) que las hacen particularmente adecuadas para aplicaciones especiales en el procesamiento de información cuántica y la simulación cuántica de materiales complejos. En comparación con los átomos, por ejemplo, las moléculas tienen más libertad cuántica y pueden interactuar de nuevas formas.

«Lo que esto significa, en términos prácticos, es que existen nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica», dijo Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y autor del artículo. «Por ejemplo, una molécula puede vibrar y rotar en múltiples modos. Entonces, puedes usar dos de estos modos para codificar un qubit. Si la especie molecular es polar, dos moléculas pueden interactuar entre sí aunque estén espacialmente aisladas».

Sin embargo, las moléculas han demostrado ser muy difíciles de controlar en el laboratorio debido a su complejidad. Los mismos grados de libertad que los hacen atractivos también los hacen difíciles de controlar o acorralar en entornos de laboratorio.

Chuck y su equipo abordaron muchos de estos desafíos mediante un experimento cuidadosamente pensado. Fueron los primeros en seleccionar una especie molecular que sea polar y pueda enfriarse con un láser. Luego, abren las moléculas con láser a temperaturas ultrafrías, donde la mecánica cuántica ocupa un lugar central.

Luego, las moléculas individuales fueron captadas por un complejo sistema de rayos láser estrechamente enfocados, llamados «pinzas ópticas». Al diseñar la posición de las pinzas, pudieron crear grandes conjuntos de moléculas individuales y colocarlas individualmente en cualquier configuración unidimensional deseada. Por ejemplo, crearon pares de moléculas separados y cadenas de moléculas libres de defectos.

A continuación, codificaron un qubit en un estado de molécula giratorio y no giratorio. Pudieron demostrar que este qubit molecular seguía siendo coherente; Es decir, recuerda su superposición. En resumen, los investigadores demostraron la capacidad de crear qubits coherentes y bien controlados a partir de moléculas controladas individualmente.

Para atrapar las moléculas, tuvieron que unirlas. Utilizando una serie de pulsos de microondas, pudieron hacer que moléculas individuales interactuaran entre sí de manera coherente.

Al permitir que la interacción se produjera durante el tiempo correcto, pudieron implementar puertas de dos qubits que entrelazaron las dos moléculas. Esto es importante porque una puerta distribuida de dos qubits es un componente básico tanto para la computación cuántica digital universal como para la creación de materiales complejos.

El potencial de esta investigación para investigar diversos aspectos de la ciencia cuántica es grande, dadas las características innovadoras que ofrece el conjunto de pinzas moleculares de esta nueva plataforma. En particular, el equipo de Princeton está interesado en explorar la física de muchas moléculas que interactúan, que pueden usarse para simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos donde pueden aparecer comportamientos ambiguos interesantes, como nuevas formas de magnetismo.

«El uso de moléculas para la ciencia cuántica es una nueva frontera, y nuestra demostración del entrelazamiento bajo demanda es un paso importante para demostrar que las moléculas pueden usarse como una plataforma viable para la ciencia cuántica», dijo Cheuk.

En un artículo separado publicado en el mismo número. cienciaUn grupo de investigación independiente dirigido por John Doyle y Kong Quin Nee de la Universidad de Harvard y Wolfgang Catterall del Instituto Tecnológico de Massachusetts obtuvo resultados similares.

«El hecho de que hayan encontrado los mismos resultados confirma la confiabilidad de nuestros hallazgos», afirmó Cheuk. «También muestran que los conjuntos de pinzas moleculares se están convirtiendo en una nueva e interesante plataforma para la ciencia cuántica».