Запутывание молекул по требованию в реконфигурируемом оптическом пинцете
Впервые команде физиков из Принстона удалось соединить вместе отдельные молекулы в особые состояния, которые квантово-механически «запутаны». В этих причудливых состояниях молекулы остаются коррелированными друг с другом и могут взаимодействовать одновременно, даже если они находятся на расстоянии нескольких миль друг от друга или даже если они занимают противоположные концы Вселенной. Это исследование было недавно опубликовано в журнале Science.
Лазерная установка для охлаждения, контроля и запутывания отдельных молекул.
Фото: Ричард Соден, факультет физики Принстонского университета.
«Это прорыв в мире молекул из-за фундаментальной важности квантовой запутанности», — сказал Лоуренс Чеук, доцент кафедры физики Принстонского университета и старший автор статьи. «Но это также прорыв в практическом применении, поскольку запутанные молекулы могут стать строительными блоками для многих будущих приложений».
К ним относятся, например, квантовые компьютеры, которые могут решать определенные проблемы гораздо быстрее, чем обычные компьютеры, квантовые симуляторы, которые могут моделировать сложные материалы, поведение которых трудно смоделировать, и квантовые датчики, которые могут измерять быстрее, чем их традиционные аналоги.
«Одна из причин заниматься квантовой наукой заключается в том, что в практическом мире оказывается, что если вы воспользуетесь законами квантовой механики, вы сможете добиться гораздо большего во многих областях», — сказал Коннор Холланд, аспирант кафедры физики, отдела и соавтор работы.
Способность квантовых устройств превосходить классические известна как «квантовое преимущество». А в основе квантового преимущества лежат принципы суперпозиции и квантовой запутанности. В то время как классический компьютерный бит может принимать значение либо 0, либо 1, квантовые биты, называемые кубитами, могут одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1.
Последняя концепция, запутанность, является краеугольным камнем квантовой механики и возникает, когда две частицы становятся неразрывно связанными друг с другом, так что эта связь сохраняется, даже если одна частица находится на расстоянии световых лет от другой. Это явление Альберт Эйнштейн, который сначала усомнился в его достоверности, назвал «жутким действием на расстоянии».
С тех пор физики продемонстрировали, что запутанность на самом деле является точным описанием физического мира и того, как устроена реальность.
«Квантовая запутанность — это фундаментальная концепция, — сказал Чеук, — но она также является ключевым ингредиентом, обеспечивающим квантовое преимущество».
Но создание квантового преимущества и достижение контролируемой квантовой запутанности остается проблемой, не в последнюю очередь потому, что инженеры и ученые до сих пор не понимают, какая физическая платформа лучше всего подходит для создания кубитов.
За последние десятилетия множество различных технологий, таких как захваченные ионы, фотоны и сверхпроводящие цепи, и это лишь некоторые из них, изучались в качестве кандидатов на роль квантовых компьютеров и устройств. Оптимальная квантовая система или платформа кубитов вполне может зависеть от конкретного приложения.
Однако до этого эксперимента молекулы долгое время игнорировали контролируемую квантовую запутанность. Но Чеук и его коллеги с помощью тщательных лабораторных манипуляций нашли способ контролировать отдельные молекулы и уговаривать их переходить в эти взаимосвязанные квантовые состояния.
Они также считали, что молекулы обладают определенными преимуществами (например, перед атомами), которые делают их особенно подходящими для определенных приложений в квантовой обработке информации и квантовом моделировании сложных материалов. Например, по сравнению с атомами молекулы имеют больше квантовых степеней свободы и могут взаимодействовать новыми способами.
«На практике это означает, что существуют новые способы хранения и обработки квантовой информации», — сказал Юкай Лу, аспирант в области электротехники и вычислительной техники и соавтор статьи. «Например, молекула может вибрировать и вращаться в нескольких режимах. Таким образом, вы можете использовать два из этих режимов для кодирования кубита. Если молекулярный вид полярен, две молекулы могут взаимодействовать, даже если они пространственно разделены».
Тем не менее, молекулы, как известно, трудно контролировать в лаборатории из-за их сложности. Сама степень свободы, которая делает их привлекательными, также затрудняет их контроль или загон в лабораторных условиях.
Чеук и его команда решили многие из этих проблем посредством тщательно продуманного эксперимента. Сначала они выбрали молекулярную разновидность, которая является полярной и может охлаждаться с помощью лазеров. Затем они охладили молекулы лазером до сверхнизких температур, где квантовая механика занимает центральное место.
Отдельные молекулы затем улавливались сложной системой плотно сфокусированных лазерных лучей, так называемыми «оптическим пинцетом». Спроектировав положение пинцета, они смогли создать большие массивы одиночных молекул и индивидуально расположить их в любой желаемой одномерной конфигурации. Например, они создали изолированные пары молекул и бездефектные цепочки молекул.
Затем они закодировали кубит в невращающееся и вращающееся состояние молекулы. Им удалось показать, что этот молекулярный кубит остается когерентным; то есть он запомнил свою суперпозицию. Короче говоря, исследователи продемонстрировали способность создавать хорошо контролируемые и когерентные кубиты из индивидуально контролируемых молекул.
Чтобы запутать молекулы, им пришлось заставить молекулы взаимодействовать. Используя серию микроволновых импульсов, они смогли заставить отдельные молекулы взаимодействовать друг с другом согласованным образом.
Позволив взаимодействию продолжаться в течение определенного периода времени, они смогли реализовать двухкубитный вентиль, который запутывал две молекулы. Это важно, поскольку такой запутанный двухкубитный вентиль является строительным блоком как для универсальных цифровых квантовых вычислений, так и для моделирования сложных материалов.
Потенциал этого исследования для изучения различных областей квантовой науки огромен, учитывая инновационные возможности, предлагаемые этой новой платформой молекулярных пинцетов. В частности, команда из Принстона заинтересована в изучении физики многих взаимодействующих молекул, которую можно использовать для моделирования квантовых систем многих тел, где могут появиться интересные новые формы поведения, такие как новые формы магнетизма.
«Использование молекул в квантовой науке — это новый рубеж, и наша демонстрация запутанности по требованию — это ключевой шаг в демонстрации того, что молекулы могут использоваться в качестве жизнеспособной платформы для квантовой науки», — сказал Чеук.
В отдельной статье, опубликованной в том же выпуске журнала Science, независимая исследовательская группа под руководством Джона Дойла и Кан-Куэна Ни из Гарвардского университета и Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института достигла аналогичных результатов.
«Тот факт, что они получили одинаковые результаты, подтверждает надежность наших результатов», — сказал Чеук. «Они также показывают, что массивы молекулярных пинцетов становятся новой захватывающей платформой для квантовой науки».
