Physikern aus Princeton ist es erstmals gelungen, einzelne Moleküle zu verbinden

In der Arbeit kann das zu mehr Leistung führen Quantitative StatistikForschern der Princeton University ist es gelungen, Moleküle in eine Quantenverschränkung zu zwingen.

Einem Physikerteam der Princeton University ist es erstmals gelungen, einzelne Teilchen in speziellen „verschränkten“ Zuständen der Quantenmechanik miteinander zu verbinden. In diesen seltsamen Zuständen bleiben die Teilchen aneinander gebunden und können gleichzeitig interagieren, selbst wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind oder sich an gegenüberliegenden Enden des Universums befinden. Diese Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaften.

Molekulare Verschränkung: ein Durchbruch in praktischen Anwendungen

„Dies ist ein Durchbruch in der Welt der Moleküle, da die Quantenverschränkung von grundlegender Bedeutung ist“, sagte Lawrence Cheok, Assistenzprofessor für Physik an der UCLA. Princeton Universität und Hauptautor des Artikels. „Aber es ist auch ein großer Durchbruch für praktische Anwendungen, denn vernetzte Moleküle könnten die Bausteine ​​für viele zukünftige Anwendungen sein.“

Dazu gehören beispielsweise Quantencomputer, die bestimmte Probleme viel schneller lösen können als klassische Computer, Quantensimulatoren, die komplexe Materialien modellieren können, deren Verhalten schwer zu modellieren ist, und Quantensensoren, die schneller messen können als ihre klassischen Gegenstücke.

Laseraufbau zum Kühlen, Steuern und Vernetzen einzelner Moleküle. Bildnachweis: Richard Soden, Fachbereich Physik, Princeton University

„Eine der Motivationen für die Quantenwissenschaft ist, dass sich in der Praxis herausstellt, dass man in vielen Bereichen viel besser abschneiden kann, wenn man sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze macht“, sagt Connor Holland, ein Doktorand am Fachbereich Physik . Und Co-Autor des Werkes.

Die Fähigkeit von Quantengeräten, klassische Geräte zu übertreffen, wird als Quantenvorteil bezeichnet. Im Zentrum des Quantenvorteils stehen die Prinzipien der Superposition und der Quantenverschränkung. Während ein klassisches Computerbit den Wert 0 oder 1 annehmen kann, können sich Quantenbits, sogenannte Qubits, gleichzeitig in einem Überlagerungszustand von 0 und 1 befinden. Das letztgenannte Konzept, die Verschränkung, ist ein wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik Wenn zwei Teilchen so eng miteinander verbunden werden, bleibt diese Verbindung bestehen, auch wenn eines der Teilchen Lichtjahre vom anderen entfernt ist. Dieses Phänomen wurde von Albert Einstein, der zunächst an seiner Echtheit zweifelte, als „gespenstische Fernwirkung“ beschrieben. Seitdem haben Physiker bewiesen, dass Verschränkung tatsächlich eine genaue Beschreibung der physischen Welt und der Struktur der Realität ist.

Herausforderungen und Fortschritte bei der Quantenverschränkung

„Quantenverschränkung ist ein grundlegendes Konzept, aber sie ist auch das Schlüsselelement, das Quantenvorteile verschafft“, sagt Cheok.

Der Aufbau eines Quantenvorteils und das Erreichen einer kontrollierbaren Quantenverschränkung bleibt jedoch eine Herausforderung, nicht zuletzt, weil Ingenieure und Wissenschaftler immer noch unklar sind, welche physikalische Plattform für die Erzeugung von Qubits am besten geeignet ist. In den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Technologien – wie etwa eingefangene Ionen, Photonen und supraleitende Schaltkreise, um nur einige zu nennen – als Kandidaten für Quantencomputer und -geräte erforscht. Das optimale Quantensystem bzw. die optimale Qubit-Plattform kann stark von der konkreten Anwendung abhängen.

Doch bis zu diesem Experiment hatten sich Moleküle lange Zeit einer kontrollierbaren Quantenverschränkung widersetzt. Doch Cheok und seine Kollegen haben durch präzise Manipulation im Labor einen Weg gefunden, einzelne Moleküle zu kontrollieren und sie in diese verschränkten Quantenzustände zu locken. Sie glaubten auch, dass Moleküle bestimmte Vorteile – beispielsweise gegenüber Atomen – hätten, die sie für bestimmte Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulationen komplexer Materialien besonders geeignet machten. Im Vergleich zu Atomen haben Moleküle beispielsweise größere Quantenfreiheitsgrade und können auf neue Weise interagieren.

„In der Praxis bedeutet das, dass es neue Möglichkeiten gibt, Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten“, sagte Yukai Lu, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik und Mitautor der Arbeit. „Zum Beispiel kann ein Molekül in mehreren Modi schwingen und rotieren. Sie können also zwei dieser Modi verwenden, um ein Qubit zu kodieren. Wenn es sich um ein Molekül handelt.“ Klassifizieren Ist es polar, können zwei Moleküle auch dann interagieren, wenn sie räumlich getrennt sind.

Allerdings hat es sich aufgrund ihrer Komplexität als sehr schwierig erwiesen, Moleküle im Labor zu kontrollieren. Die Freiheitsgrade, die sie attraktiv machen, machen es auch schwierig, sie im Laborumfeld zu kontrollieren oder anzupassen.

Innovative experimentelle Techniken und Zukunftsaussichten

Cheok und sein Team gingen viele dieser Herausforderungen durch ein sorgfältig durchdachtes Experiment an. Sie wählten zunächst eine molekulare Spezies, die polar ist und durch Laser gekühlt werden kann. Anschließend kühlten sie die Moleküle mit einem Laser auf ultrakalte Temperaturen ab, bei denen die Quantenmechanik im Mittelpunkt steht. Einzelne Moleküle wurden dann von einem komplexen System hochfokussierter Laserstrahlen, sogenannten „optischen Pinzetten“, eingefangen. Durch die Konstruktion der Pinzettenstellen konnten sie große Anordnungen einzelner Moleküle erzeugen und diese einzeln in jeder gewünschten eindimensionalen Konfiguration platzieren. Sie erzeugten beispielsweise isolierte Molekülpaare und auch defektfreie Molekülketten.

Als nächstes kodierten sie das Qubit im spinfreien Zustand des Moleküls. Sie konnten zeigen, dass dieses molekulare Qubit kohärent blieb, sich also an seine Überlagerung erinnerte. Kurz gesagt, Forscher haben die Fähigkeit demonstriert, kohärente, gut kontrollierte Qubits aus individuell kontrollierten Teilchen zu erzeugen.

Um die Moleküle zu verschränken, mussten sie die Moleküle zur Interaktion bringen. Mithilfe einer Reihe von Mikrowellenpulsen konnten sie einzelne Moleküle auf kohärente Weise miteinander interagieren lassen. Indem sie die Reaktion über einen bestimmten Zeitraum laufen ließen, konnten sie ein Zwei-Qubit-Gate implementieren, das zwei Moleküle verschränkte. Dies ist wichtig, da ein solches verschränktes Gatter mit zwei Qubits ein grundlegender Baustein sowohl für das universelle digitale Quantencomputing als auch für die Simulation komplexer Materialien ist.

Das Potenzial dieser Forschung zur Untersuchung verschiedener Bereiche der Quantenwissenschaft ist angesichts der innovativen Funktionen, die diese neue Plattform für molekulare Pinzettenarrays bietet, groß. Das Princeton-Team ist insbesondere daran interessiert, die Physik vieler interagierender Teilchen zu erforschen, die zur Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen verwendet werden kann, in denen interessantes Verhalten wie neue Formen des Magnetismus entstehen könnten.

„Der Einsatz von Molekülen in der Quantenwissenschaft ist eine neue Grenze, und unsere Demonstration der On-Demand-Verschränkung ist ein wichtiger Schritt, um zu zeigen, dass Moleküle als brauchbare Plattform in der Quantenwissenschaft eingesetzt werden können“, sagte Cheok.

In einem separaten Artikel, der in derselben Ausgabe von veröffentlicht wurde WissenschaftenÄhnliche Ergebnisse erzielte eine unabhängige Forschungsgruppe unter der Leitung von John Doyle und Kang Kuen Ni an der Harvard University und Wolfgang Ketterle am MIT.

„Die Tatsache, dass sie die gleichen Ergebnisse erzielten, bestätigt die Zuverlässigkeit unserer Ergebnisse“, sagte Cheok. „Sie zeigen auch, dass molekulare Pinzetten-Arrays zu einer spannenden neuen Plattform für die Quantenwissenschaft werden.“

Referenz: „On-Demand-Verschränkung von Molekülen in einem rekonfigurierbaren optischen Pinzettenarray“ von Connor M. Holland, Yukai Lu und Lawrence W. Cheok, 7. Dezember 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adf4272

Die Arbeit wurde von der Princeton University, der National Science Foundation (Grant-Nr. 2207518) und der Sloan Foundation (Grant-Nr. FG-2022-19104) unterstützt.