Физиците за първи път постигнаха квантово заплитане на цели молекули

Два независими екипа от учени постигнаха важен пробив в областта на квантовата физика. Използвайки технологията на оптичните пинцети, те са успели да свържат не отделни атоми, а цели молекули в специалното квантово състояние на заплитане. Квантовите компютри с молекулни кубити биха могли да се превърнат в естествена среда за т.нар. кутрити, които, за разлика от кубитите, имат не две, а три възможни състояния: -1, 0 и +1. Това от своя страна ще отвори пътя към свръхсложни изчисления – моделиране на сложни материали и фундаментални сили на природата

При първите демонстрации на основните принципи на квантовите изчисления в края на 90-те години на миналия век учените използваха голям брой молекули в разтвор в апаратите за ядрено-магнитен резонанс, съобщава Nature. Оттогава насам са разработени различни квантови платформи, включително свръхпроводящи вериги и отделни йони във вакуум, които действат като физически носители на кубити – единици квантова информация.

През последните години се появи нов подход, при който неутрални атоми, уловени от фокусирани лазерни лъчи, стават носители на кубити. Два независими екипа от физици съобщиха за напредък в използването на молекули вместо атоми: единият от Принстънския университет (САЩ), а другият – от Харвардския университет и Масачузетския технологичен институт (САЩ).

И в двете изследвания са използвани масиви от оптични пинсети, всяка от които улавя една молекула калциев монофлуорид. Използвайки лазерни техники, те охлаждат молекулите до температури от порядъка на десетки микрокелвини – само една милионна част от градуса над абсолютната нула. В това състояние молекулите са близо до пълна неподвижност. Тяхното въртене може да бъде спряно или принудено да се върти само с един квантов ъглов момент – най-ниската честота на въртене, която могат да имат. Двата екипа са използвали невъртящи се молекули, за да обозначат състоянието „0“ на своите кубити, и въртящи се молекули, за да обозначат състоянието „1“.

Калциевият монофлуорид е силно полярен: отрицателните електрически заряди, носени от неговите електрони, се групират към флуорния атом, оставяйки нетен положителен заряд в калциевия участък на молекулата. Изследователите са успели да накарат две молекули калциев монофлуорид да си взаимодействат, като „усещат“ положителните и отрицателните полюси на другата молекула. „Диполното взаимодействие на молекулите ни дава допълнително копче за настройка“, обяснява Джон Дойл, физик от Харвардския университет и един от съавторите на изследването. В резултат на това физиците са успели да използват не 2, както при конвенционалните кубити, а 3 състояния на молекулите на калциевия монофлуорид.

„Молекулите са по-сложни, те могат да предложат повече както по отношение на кодирането на квантовата информация, така и по отношение на начина, по който си взаимодействат“, казва Лорънс Чук от Принстънския университет (САЩ). „Това открива безпрецедентни възможности за обработка на квантовата информация“.
За да заплетат тези молекули, учените са ги обработили с поредица от микровълнови импулси.

Според изследователите за повечето приложения молекулярните квантови компютри ще бъдат по-бавни от тези, използващи други видове кубити. Но молекулите биха могли да бъдат естествена среда за манипулиране на квантовата информация с помощта на т.нар. кутрити, които имат три възможни състояния: -1, 0 и +1. Това от своя страна ще отвори пътя към свръхсложни изчисления – моделиране на сложни материали и изследване на фундаменталните сили на природата.