Физики впервые создали квантовую запутанность между отдельными молекулами

Связанные частицы можно использовать для квантовых вычислений. Исследование опубликовано в журнале Science.

Физики из Принстонского университета впервые запутали квантовые состояния двух отдельных молекул. До сих пор квантовой запутанности удавалось добиться только для частиц, отдельных атомов и ионов. Связанные молекулы становятся новым кандидатом в кубиты для квантовых вычислений.

Для эксперимента исследователи выбрали полярные молекулы фторида кальция, которые можно охлаждать с помощью лазеров до сверхнизких температур, где проявляются эффекты квантовой механики. Отдельные охлажденные молекулы физики захватили с помощью сложной системы плотно сфокусированных лазерных лучей — «оптического пинцета». Управляя «пинцетом», физики создали изолированные пары молекул и бездефектные цепочки молекул.

Затем ученые закодировали кубит в молекулу. Им удалось показать, что этот молекулярный кубит остается когерентным; то есть он запомнил свою суперпозицию. Чтобы запутать молекулы, с помощью серии микроволновых импульсов физики заставили их взаимодействовать друг с другом согласованным образом.

Поддерживая взаимодействие импульсами в течение определенного периода времени, ученые реализовали двухкубитный вентиль, который запутывал две молекулы. Это важно, поскольку такой вентиль является строительным блоком для универсальных цифровых квантовых вычислений.

У молекул есть преимущества, которые делают их лучшими кандидатами 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. Например, молекула может вибрировать и вращаться в нескольких режимах. Таким образом, вы можете использовать два из этих режимов для кодирования кубита. Если молекула полярная, то две молекулы могут взаимодействовать, даже если они пространственно разделены.

Юкай Лу, соавтор статьи и аспирант Принстонского университета