Los físicos de Princeton han unido con éxito moléculas individuales por primera vez

En el trabajo que puede conducir a más poderosos. Estadísticas cuantitativasInvestigadores de la Universidad de Princeton han logrado forzar a las moléculas a un entrelazamiento cuántico.

Por primera vez, un equipo de físicos de la Universidad de Princeton ha podido unir partículas individuales en estados especiales «entrelazados» de la mecánica cuántica. En estos extraños estados, las partículas permanecen unidas y pueden interactuar simultáneamente, incluso si están a kilómetros de distancia o incluso si ocupan extremos opuestos del universo. Esta investigación fue publicada en la revista Ciencias.

Entrelazamiento molecular: un gran avance en aplicaciones prácticas

«Este es un gran avance en el mundo de las moléculas debido a la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico», dijo Lawrence Cheok, profesor asistente de física en UCLA. Universidad de Princeton y autor principal del artículo. «Pero también es un gran avance para aplicaciones prácticas porque las moléculas entrecruzadas podrían ser los componentes básicos de muchas aplicaciones futuras».

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

Configuración láser para enfriar, controlar y reticular moléculas individuales. Crédito: Richard Soden, Departamento de Física, Universidad de Princeton

«Una de las motivaciones para hacer ciencia cuántica es que en el mundo práctico resulta que si se aprovechan las leyes de la mecánica cuántica, se puede hacerlo mucho mejor en muchas áreas», dice Connor Holland, estudiante de posgrado del Departamento de Física. . Y coautor de la obra.

La capacidad de los dispositivos cuánticos para superar a los dispositivos clásicos se conoce como ventaja cuántica. En el corazón de la ventaja cuántica se encuentran los principios de superposición y entrelazamiento cuántico. Mientras que un bit de computadora clásico puede tomar el valor 0 o 1, los bits cuánticos, llamados qubits, pueden estar simultáneamente en un estado de superposición de 0 y 1. Este último concepto, el entrelazamiento, es una piedra angular importante de la mecánica cuántica, y Ocurre cuando dos partículas se conectan tan estrechamente entre sí, esta conexión persiste, incluso si una de las partículas está a años luz de la otra. Este fenómeno fue descrito por Albert Einstein, quien inicialmente dudó de su autenticidad, como “acción fantasmal a distancia”. Desde entonces, los físicos han demostrado que el entrelazamiento es en realidad una descripción precisa del mundo físico y de cómo está estructurada la realidad.

Retos y avances en el entrelazamiento cuántico

«El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental, pero también es el elemento clave que proporciona la ventaja cuántica», afirma Cheok.

Pero construir una ventaja cuántica 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 crear qubits. En las últimas décadas, se han explorado muchas tecnologías diferentes (como iones atrapados, fotones y circuitos superconductores, por nombrar algunas) como candidatas para computadoras y dispositivos cuánticos. El sistema cuántico o la plataforma qubit óptimos pueden depender en gran medida de la aplicación específica.

Pero hasta este experimento, las moléculas habían desafiado durante mucho tiempo el entrelazamiento cuántico controlable. Pero Cheok y sus colegas han encontrado una manera, mediante una manipulación precisa en el laboratorio, de controlar moléculas individuales y llevarlas a estos estados cuánticos entrelazados. También creían que las moléculas tenían ciertas ventajas –sobre los átomos, por ejemplo– que las hacían particularmente adecuadas para ciertas aplicaciones en el procesamiento de información cuántica y simulaciones cuánticas de materiales complejos. En comparación con los átomos, por ejemplo, las moléculas tienen mayores grados de libertad cuántica y pueden interactuar de nuevas maneras.

«Lo que esto significa, en términos prácticos, es que existen nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica», afirmó Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y coautor 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 una molécula Clasificar Si es polar, dos moléculas pueden interactuar incluso cuando estén separadas espacialmente.

Sin embargo, ha resultado muy difícil controlar las moléculas en el laboratorio debido a su complejidad. Los grados de libertad que los hacen atractivos también los hacen difíciles de controlar o adaptar en entornos de laboratorio.

Técnicas experimentales innovadoras y perspectivas de futuro.

Cheok y su equipo abordaron muchos de estos desafíos mediante un experimento cuidadosamente considerado. Primero eligieron una especie molecular que sea polar y pueda enfriarse mediante láseres. Luego enfriaron las moléculas con un láser a temperaturas ultrafrías donde la mecánica cuántica ocupa un lugar central. Luego, las moléculas individuales fueron capturadas por un complejo sistema de rayos láser altamente enfocados, llamados «pinzas ópticas». Al diseñar los sitios de las pinzas, pudieron crear grandes conjuntos de moléculas individuales y colocarlas individualmente en cualquier configuración unidimensional deseada. Por ejemplo, crearon pares de moléculas aisladas y también cadenas de moléculas libres de defectos.

A continuación, codificaron el qubit en el estado libre de espín de la molécula. Pudieron demostrar que este qubit molecular permanecía coherente, es decir, que recordaba su superposición. En resumen, los investigadores han demostrado la capacidad de crear qubits coherentes y bien controlados a partir de partículas controladas individualmente.

Para entrelazar las moléculas, tuvieron que hacer que la molécula interactuara. Utilizando una serie de pulsos de microondas, pudieron hacer que moléculas individuales interactuaran entre sí de manera coherente. Al permitir que la reacción continuara durante un período de tiempo específico, pudieron implementar una puerta de dos qubits que entrelazó dos moléculas. Esto es importante porque una puerta entrelazada de dos qubits es un componente fundamental tanto para la computación cuántica digital universal como para la simulación de materiales complejos.

El potencial de esta investigación para estudiar diferentes áreas de la ciencia cuántica es grande, dadas las características innovadoras que ofrece esta nueva plataforma de matrices de pinzas moleculares. En particular, el equipo de Princeton está interesado en explorar la física de muchas partículas que interactúan, que pueden usarse para simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos donde podrían surgir comportamientos emergentes interesantes, como nuevas formas de magnetismo.

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

En un artículo separado publicado en el mismo número de CienciasUn grupo de investigación independiente dirigido por John Doyle y Kang Kuen Ni de la Universidad de Harvard y Wolfgang Ketterle del MIT logró resultados similares.

«El hecho de que obtuvieran los mismos resultados confirma la fiabilidad de nuestros resultados», dijo Cheok. «También muestran que los conjuntos de pinzas moleculares se están convirtiendo en una nueva e interesante plataforma para la ciencia cuántica».

Referencia: “Enredo de moléculas bajo demanda en una matriz de pinzas ópticas reconfigurables” por Connor M. Holland, Yukai Lu y Lawrence W. Cheok, 7 de diciembre de 2023. Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adf4272

El trabajo fue apoyado por la Universidad de Princeton, la Fundación Nacional de Ciencias (Subvención No. 2207518) y la Fundación Sloan (Subvención No. FG-2022-19104).