Fysiker vid National Institute of Standards and Technology har ökat sin kontroll över molekylers grundläggande egenskaper på kvantnivå genom att länka eller "trasslar ihop" en elektriskt laddad atom och en elektriskt laddad molekyl, visa upp ett sätt att bygga hybrida kvantinformationssystem som kan manipulera, lagra och överföra olika former av data.

Beskrivs i a Natur tidning publicerad online 20 maj, den nya NIST-metoden kan hjälpa till att bygga storskaliga kvantdatorer och nätverk genom att ansluta kvantbitar (qubits) baserade på annars inkompatibla hårdvarudesigner och driftsfrekvenser. Kvantsystem med blandade plattformar kan erbjuda mångsidighet som den för konventionella datorsystem, som, till exempel, kan utbyta data mellan en elektronisk processor, en optisk skiva, och en magnetisk hårddisk.

NIST-experimenten trasslade med framgång in egenskaperna hos en elektron i atomjonen med molekylens rotationstillstånd så att mätningar av en partikel skulle kontrollera egenskaperna hos den andra. Forskningen bygger på samma grupps 2017 demonstration av kvantkontroll av en molekyl, vilka utökade tekniker som länge använts för att manipulera atomer till den mer komplicerade och potentiellt mer fruktbara arenan som molekyler erbjuder, består av flera atomer sammanbundna.

Molekyler har olika inre energinivåer, som atomer, men också rotera och vibrera i många olika hastigheter och vinklar. Molekyler skulle därför kunna fungera som mediatorer i kvantsystem genom att konvertera kvantinformation över ett brett spektrum av kvantbitsfrekvenser som sträcker sig från några tusen till några biljoner cykler per sekund. Med vibrationer, molekyler kan erbjuda ännu högre qubit-frekvenser.

"Vi bevisade att atomjonen och molekyljonen är intrasslade, och vi visade också att du får ett brett urval av qubit-frekvenser i molekylen, " NIST-fysikern James (Chin-wen) Chou sa.

En kvantbit representerar de digitala databitarna 0 och 1 i termer av två olika kvanttillstånd, såsom låga och höga energinivåer i en atom. En qubit kan också existera i en "superposition" av båda tillstånden samtidigt. NIST-forskarna trasslade in två energinivåer av en kalciumatomjon med två olika par av rotationstillstånd för en kalciumhydridmolekylär jon, som är en kalciumjon bunden till en väteatom. Den molekylära qubiten hade en övergångsfrekvens - hastigheten för cykling mellan två rotationstillstånd - med antingen låg energi vid 13,4 kilohertz (kHz, tusentals cykler per sekund) eller hög energi vid 855 miljarder cykler per sekund (gigahertz eller GHz).

"Molekyler tillhandahåller ett urval av övergångsfrekvenser och vi kan välja mellan många typer av molekyler, så det är ett enormt utbud av qubit-frekvenser vi kan ta in i kvantinformationsvetenskapen, ", sa Chou. "Vi drar nytta av övergångar som finns i naturen så resultaten blir desamma för alla."

Experimenten använde en specifik formel av blå och infraröda laserstrålar av olika intensitet, orienteringar och pulssekvenser för att kyla, trassla in och mäta jonernas kvanttillstånd.

Först, NIST-forskarna fångade och kylde de två jonerna till deras lägsta energitillstånd. Paret stötte bort varandra på grund av deras fysiska närhet och positiva elektriska laddningar, och avstötningen verkade som en fjäder som låste deras rörelse. Laserpulser tillförde energi till molekylens rotation och skapade en superposition av lågenergi- och högenergirotationstillstånd, som också startade en delad motion, så de två jonerna började gunga eller svänga unisont, i detta fall i motsatta riktningar.

Molekylens rotation var alltså intrasslad med dess rörelse. Fler laserpulser utnyttjade de två jonernas gemensamma rörelse för att inducera atomjonen till en superposition av låga och höga energinivåer. På det här sättet, intrassling överfördes från rörelsen för att omfatta atomen. Forskarna bestämde tillståndet för atomjonen genom att lysa en laser på den och mäta dess fluorescens, eller hur mycket ljus den spred.

NIST-forskarna demonstrerade tekniken med två uppsättningar av molekylens rotationsegenskaper, framgångsrikt uppnå intrassling 87 % av tiden med ett lågenergipar (qubit) och 76 % av tiden med ett par med högre energi. I lågenergifallet, molekylen roterade i två lite olika vinklar, som en topp, men i båda staterna samtidigt. I högenergifallet, molekylen snurrade i två hastigheter samtidigt, åtskilda av en stor skillnad i hastighet.

Det nya arbetet möjliggjordes av kvantlogikteknikerna som visades i 2017 års experiment. Forskarna applicerade pulser av infrarött laserljus för att driva växling mellan två av mer än 100 möjliga rotationstillstånd av molekylen. Forskarna visste att denna övergång inträffade eftersom en viss mängd energi lades till de två jonernas gemensamma rörelse. Forskarna visste att jonerna var intrasslade baserat på ljussignalerna från atomjonen.

De nya metoderna skulle kunna användas med ett brett utbud av molekylära joner sammansatta av olika grundämnen, erbjuder ett brett urval av qubit-egenskaper.

Tillvägagångssättet kan koppla ihop olika typer av qubits som arbetar vid olika frekvenser, såsom atomer och supraledande system eller lätta partiklar, inklusive de inom telekommunikation och mikrovågskomponenter. Förutom tillämpningar inom kvantinformation, de nya teknikerna kan också vara användbara för att göra kvantsensorer eller utföra kvantförstärkt kemi.