Físicos de Princeton ligaram com sucesso moléculas únicas pela primeira vez

No trabalho que pode levar a resultados mais poderosos Estatísticas quantitativasPesquisadores da Universidade de Princeton conseguiram forçar as moléculas a um emaranhamento quântico.

Pela primeira vez, uma equipe de físicos da Universidade de Princeton foi capaz de unir partículas individuais em estados “emaranhados” especiais da mecânica quântica. Nestes estados estranhos, as partículas permanecem unidas e podem interagir simultaneamente, mesmo que estejam a quilómetros de distância, ou mesmo que ocupem extremos opostos do universo. Esta pesquisa foi publicada na revista Ciências.

Emaranhamento molecular: um avanço em aplicações práticas

“Este é um avanço no mundo das moléculas devido à importância fundamental do emaranhamento quântico”, disse Lawrence Cheok, professor assistente de física na UCLA. Universidade de Princeton e autor principal do artigo. “Mas é também um grande avanço para aplicações práticas porque as moléculas reticuladas podem ser os blocos de construção para muitas aplicações futuras.”

Estes incluem, por exemplo, computadores quânticos que podem resolver certos problemas muito mais rapidamente do que os computadores clássicos, simuladores quânticos que podem modelar materiais complexos cujos comportamentos são difíceis de modelar, e sensores quânticos que podem medir mais rapidamente do que os seus homólogos clássicos.

Configuração do laser para resfriar, controlar e reticular moléculas individuais. Crédito: Richard Soden, Departamento de Física, Universidade de Princeton

“Uma das motivações para fazer ciência quântica é que, no mundo prático, se você aproveitar as leis da mecânica quântica, poderá fazer muito melhor em muitas áreas”, diz Connor Holland, estudante de pós-graduação do Departamento de Física. . E coautor da obra.

A capacidade dos dispositivos quânticos de superar os dispositivos clássicos é conhecida como vantagem quântica. No cerne da vantagem quântica estão os princípios da superposição e do emaranhamento quântico. Embora um bit de computador clássico possa assumir o valor de 0 ou 1, os bits quânticos, chamados qubits, podem estar simultaneamente em um estado de superposição de 0 e 1. O último conceito, emaranhamento, é a principal pedra angular da mecânica quântica, e ocorre quando duas partículas ficam tão intimamente conectadas entre si, essa conexão persiste, mesmo que uma das partículas esteja a anos-luz de distância da outra. Este fenómeno foi descrito por Albert Einstein, que inicialmente duvidou da sua autenticidade, como “ação fantasmagórica à distância”. Desde então, os físicos provaram que o emaranhamento é, na verdade, uma descrição precisa do mundo físico e de como a realidade é estruturada.

Desafios e progresso no emaranhamento quântico

“O emaranhamento quântico é um conceito fundamental, mas também é o elemento-chave que dá vantagem quântica”, diz Cheok.

Mas construir uma vantagem quântica e alcançar um emaranhamento quântico controlável continua a ser um desafio, até porque os engenheiros e cientistas ainda não têm certeza sobre qual plataforma física é melhor para a criação de qubits. Nas últimas décadas, muitas tecnologias diferentes – como iões aprisionados, fotões e circuitos supercondutores, para citar alguns – foram exploradas como candidatas a computadores e dispositivos quânticos. O sistema quântico ideal ou plataforma qubit pode depender bem da aplicação específica.

Mas até esta experiência, as moléculas há muito desafiavam o emaranhado quântico controlável. Mas Cheok e os seus colegas encontraram uma forma, através de manipulação precisa em laboratório, de controlar moléculas individuais e persuadi-las a entrar nestes estados quânticos emaranhados. Eles também acreditavam que as moléculas tinham certas vantagens – sobre os átomos, por exemplo – que as tornavam particularmente adequadas para certas aplicações no processamento de informação quântica e em simulações quânticas de materiais complexos. Em comparação com os átomos, por exemplo, as moléculas têm maiores graus quânticos de liberdade e podem interagir de novas maneiras.

“O que isto significa, em termos práticos, é que existem novas formas de armazenar e processar informação quântica”, disse Yukai Lu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e de computação e coautor do artigo. “Por exemplo, uma molécula pode vibrar e girar em vários modos. Portanto, você pode usar dois desses modos para codificar um qubit. Se uma molécula Classificar Se for polar, duas moléculas podem interagir mesmo quando estão espacialmente separadas.

No entanto, tem-se revelado muito difícil controlar moléculas em laboratório devido à sua complexidade. Os graus de liberdade que os tornam atraentes também os tornam difíceis de controlar ou adaptar em ambientes laboratoriais.

Técnicas experimentais inovadoras e perspectivas futuras

Cheok e sua equipe enfrentaram muitos desses desafios por meio de um experimento cuidadosamente considerado. Eles primeiro escolheram uma espécie molecular que é polar e pode ser resfriada por lasers. Eles então resfriaram as moléculas com um laser a temperaturas ultrabaixas, onde a mecânica quântica ocupa o centro do palco. Moléculas individuais foram então capturadas por um sistema complexo de feixes de laser altamente focados, chamados de “pinças ópticas”. Ao projetar os locais das pinças, eles foram capazes de criar grandes conjuntos de moléculas únicas e colocá-las individualmente em qualquer configuração unidimensional desejada. Por exemplo, eles criaram pares isolados de moléculas e também cadeias de moléculas sem defeitos.

Em seguida, eles codificaram o qubit no estado livre de spin da molécula. Eles conseguiram mostrar que esse qubit molecular permanecia coerente, ou seja, que lembrava de sua superposição. Resumindo, os pesquisadores demonstraram a capacidade de criar qubits coerentes e bem controlados a partir de partículas controladas individualmente.

Para emaranhar as moléculas, eles tiveram que fazer a molécula interagir. Usando uma série de pulsos de micro-ondas, eles conseguiram fazer com que moléculas individuais interagissem entre si de maneira coerente. Ao permitir que a reação continuasse por um período de tempo especificado, eles foram capazes de implementar uma porta de dois qubits que emaranhava duas moléculas. Isso é importante porque essa porta emaranhada de dois qubits é um alicerce fundamental tanto para a computação quântica digital universal quanto para a simulação de materiais complexos.

O potencial desta pesquisa para estudar diferentes áreas da ciência quântica é grande, dados os recursos inovadores oferecidos por esta nova plataforma para arranjos de pinças moleculares. Em particular, a equipe de Princeton está interessada em explorar a física de muitas partículas em interação, que podem ser usadas para simular sistemas quânticos de muitos corpos onde podem surgir comportamentos emergentes interessantes, como novas formas de magnetismo.

“O uso de moléculas na ciência quântica é uma nova fronteira, e nossa demonstração de emaranhamento sob demanda é um passo fundamental para demonstrar que as moléculas podem ser usadas como uma plataforma viável na ciência quântica”, disse Cheok.

Em artigo separado publicado na mesma edição da CiênciasUm grupo de pesquisa independente liderado por John Doyle e Kang Kuen Ni, da Universidade de Harvard, e Wolfgang Ketterle, do MIT, obteve resultados semelhantes.

“O fato de terem obtido os mesmos resultados confirma a confiabilidade dos nossos resultados”, disse Cheok. “Eles também mostram que os arranjos de pinças moleculares estão se tornando uma nova e excitante plataforma para a ciência quântica.”

Referência: “Enredamento sob demanda de moléculas em um conjunto de pinças ópticas reconfiguráveis” por Connor M. Holland, Yukai Lu e Lawrence W. Cheok, 7 de dezembro de 2023, Ciências.
doi: 10.1126/science.adf4272

O trabalho foi apoiado pela Universidade de Princeton, pela National Science Foundation (Grant No. 2207518) e pela Sloan Foundation (Grant No. FG-2022-19104).