Forskare har tagit ett viktigt steg mot det efterlängtade målet med en kvantdator, som i teorin borde kunna mycket snabbare beräkningar än konventionella datorer, för vissa typer av problem. Det nya verket visar att samlingar av ultrakylda molekyler kan behålla den information som lagras i dem, hundratals gånger längre än forskare tidigare har uppnått i dessa material.

Dessa två-atommolekyler är gjorda av natrium och kalium och kyldes till temperaturer bara några tio-miljondelar av en grad över absolut noll (mätt i hundratals nanokelvin, eller nK). Resultaten beskrivs i en rapport i veckan i Vetenskap , av Martin Zwierlein, en MIT -professor i fysik; Jee Woo Park, en tidigare MIT -doktorand; Sebastian Will, en tidigare forskare vid MIT och nu assisterande professor vid Columbia University, och två andra, alla vid MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Många olika tillvägagångssätt studeras som möjliga sätt att skapa qubits, de grundläggande byggstenarna i långteoretiserade men ännu inte fullt ut realiserade kvantdatorer. Forskare har försökt använda supraledande material, joner som hålls i jonfällor, eller individuella neutrala atomer, liksom molekyler av varierande komplexitet. Den nya metoden använder ett kluster av mycket enkla molekyler gjorda av bara två atomer.

"Molekyler har fler" handtag "än atomer, "Zwierlein säger, vilket innebär fler sätt att interagera med varandra och med yttre påverkan. "De kan vibrera, de kan rotera, och i själva verket kan de starkt interagera med varandra, som atomer har svårt att göra. Vanligtvis, atomer måste verkligen möta varandra, vara ovanpå varandra nästan, innan de ser att det finns en annan atom att interagera med, medan molekyler kan se varandra "över relativt långa avstånd." För att få dessa qubits att prata med varandra och utföra beräkningar, att använda molekyler är en mycket bättre idé än att använda atomer, " han säger.

Att använda denna typ av två-atommolekyler för kvantinformationsbehandling "hade föreslagits för en tid sedan, säger Park, "och detta arbete visar det första experimentella steget mot att förverkliga denna nya plattform, vilket är att kvantinformation kan lagras i dipolära molekyler under längre tid. "

"Det mest fantastiska är att [dessa] molekyler är ett system som kan göra det möjligt att förverkliga både lagring och bearbetning av kvantinformation, använder samma fysiska system, "Will säger." Det är faktiskt en ganska sällsynt egenskap som inte är typisk alls bland de qubit -system som mest anses idag. "

I teamets inledande princip-proof-of-lab-tester, några tusen av de enkla molekylerna fanns i en mikroskopisk gaspuff, fångas i skärningspunkten mellan två laserstrålar och kyls till ultrakylda temperaturer på cirka 300 nanokelvin. "Ju fler atomer du har i en molekyl desto svårare blir det att kyla dem, "Zwierlein säger, så de valde den här enkla tvåatomstrukturen.

Molekylerna har tre nyckelegenskaper:rotation, vibration, och spinnriktningen för kärnorna i de två enskilda atomerna. För dessa experiment, forskarna fick molekylerna under perfekt kontroll när det gäller alla tre egenskaperna - det vill säga i det lägsta vibrationstillståndet, rotation, och nuklear spinnjustering.

"Vi har kunnat fånga molekyler länge, och även visa att de kan bära kvantinformation och hålla kvar den länge, "Säger Zwierlein. Och det, han säger, är "ett av de viktigaste genombrotten eller milstolparna man måste ha innan man hoppas kunna bygga en kvantdator, vilket är en mycket mer komplicerad strävan. "

Användningen av natrium-kaliummolekyler ger ett antal fördelar, Säger Zwierlein. För en sak, "molekylen är kemiskt stabil, så om en av dessa molekyler möter en annan bryts de inte isär. "

I samband med kvantberäkning, den "långa tid" Zwierlein hänvisar till är en sekund - vilket är "faktiskt i storleksordningen tusen gånger längre än ett jämförbart experiment som har gjorts" med rotation för att koda qubit, han säger. "Utan ytterligare åtgärder, det experimentet gav en millisekund, men det här var redan fantastiskt. "Med det här lagets metod, systemets inneboende stabilitet betyder "du får en hel sekund gratis."

Det antyder, även om det återstår att bevisa, att ett sådant system skulle kunna utföra tusentals kvantberäkningar, känd som grindar, i sekvens inom den andra koherensen. De slutliga resultaten kan sedan "läsas" optiskt genom ett mikroskop, avslöjar molekylernas slutliga tillstånd.

"Vi har starka förhoppningar om att vi kan göra en så kallad grind-det är en operation mellan två av dessa qubits, som tillägg, subtraktion, eller en sådan motsvarighet - i en bråkdel av en millisekund, "Säger Zwierlein." Om du tittar på förhållandet, du kan hoppas att göra 10, 000 till 100, 000 grindoperationer under den tid som vi har koherensen i urvalet. Det har angetts som ett av kraven för en kvantdator, att ha den typen av förhållande mellan grindoperationer och sammanhangstider. "

"Nästa stora mål blir att" prata "med enskilda molekyler. Då talar vi verkligen om kvantinformation, "Will säger." Om vi ​​kan fånga en molekyl, vi kan fånga två. Och då kan vi tänka på att genomföra en "kvantportsoperation" - en elementär beräkning - mellan två molekylära qubits som sitter bredvid varandra, " han säger.

Med en array på kanske 1, 000 sådana molekyler, Zwierlein säger, skulle göra det möjligt att utföra beräkningar så komplexa att ingen befintlig dator ens kunde börja kontrollera möjligheterna. Även om han betonar att detta fortfarande är ett tidigt steg och att sådana datorer kan vara ett decennium eller mer borta, i princip skulle en sådan enhet snabbt kunna lösa för närvarande svårhanterliga problem som factoring av mycket stora antal - en process vars svårigheter utgör grunden för dagens bästa krypteringssystem för finansiella transaktioner.

Förutom kvantberäkning, det nya systemet erbjuder också potential för ett nytt sätt att utföra precisionsmätningar och kvantkemi, Säger Zwierlein.