Molekyler har en mycket intrikat och rik struktur, vilket gör att de kan rotera och vibrera fritt. Som ett resultat, de har ett nästan obegränsat utrymme där datavetare kan koda kvantinformation. Förutom deras stora inre utrymme, molekyler är kapabla till långväga interaktioner och kan således intrasslas till andra separata molekyler.

På grund av dessa fördelaktiga egenskaper, många ingenjörer och fysiker har undersökt den potentiella användningen av molekyler för kvantberäkningstillämpningar. Medan vissa kvantdatorer baserade på molekyler har uppnått lovande resultat, forskare har funnit att qubits lagrade i molekyler är mottagliga för dekoherens (dvs. en förlust av information som färdas från ett kvantsystem till sin omgivande miljö).

Forskare vid Durham University i Storbritannien har nyligen genomfört en studie som syftar till att undersöka potentialen för att lagra kvantinformation i ultrakalla polära molekyler. I deras papper, publicerad i Naturfysik , teamet demonstrerade framgångsrikt lagringen av qubits i molekyler samtidigt som de begränsade dekoherensen, vilket kan få viktiga konsekvenser för utvecklingen av kvantberäkningsverktyg.

"En av de stora utmaningarna som alla kvantberäkningsplattformar står inför är att utveckla ingenjörsmetoder som undviker att förlora kvantinformation genom dekoherens, " Philip D. Gregory och Simon L. Cornish, två av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e -post. "Vårt primära mål var därför att visa att kvantinformation kunde lagras i en molekyl under exceptionellt långa tider, därigenom tillgodose ett av kraven för att bygga en kvantdator med ultrakalla molekyler."

Det primära målet med det senaste arbetet av Gregory, Cornish och deras kollegor skulle identifiera, förstå och slutligen eliminera alla experimentellt relevanta källor till dekoherens i molekyllagrade qubits. Initialt, teamet mätte koherensen i deras kvantsystem med en teknik som kallas Ramsey-interferometri vid olika tillstånd av qubiten. De förberedde sedan en överlagring av qubittillstånden med hjälp av mikrovågor och tillät systemet att utvecklas över tiden.

"För att testa sammanhållningen, vi använde en andra mikrovågspuls som leder till fasberoende interferens mellan delstatsbefolkningen, " Gregory och Cornish förklarade. "Vad vi observerade är svängningar i antalet molekyler i båda tillstånden av qubiten som en funktion av tiden, och vi fann också att dekoherens kännetecknas av en minskning av amplituden eller kontrasten hos dessa svängningar."

Genom att använda deras mikrovågspulsbaserade metod, Gregory, Cornish och deras kollegor kunde undersöka koherenstiden som en funktion av vilken parameter som helst som användes i deras experiment (t.ex. magnetfältet eller polariseringen av fångstljuset), helt enkelt genom att ändra värdet på parametern för perioden mellan mikrovågspulserna i Ramsey-sekvensen. Till sist, de jämförde sina fynd med en detaljerad modell av den roterande och hyperfina strukturen hos molekylen som qubitarna lagrades i. Detta gjorde att de kunde förstå de unika rollerna för olika interaktioner inom molekylen som kan bidra till systemets förlust av koherens.

"Vår viktigaste prestation är elimineringen av dekoherenskällor i vårt experiment, ", sa Gregory och Cornish. "Detta har konsekvenser för kvantberäkningar med ultrakalla molekyler, eftersom kvantinformation nu kan lagras under mycket längre tidsperioder."

I deras experiment, forskarna kunde eliminera känsligheten för magnetfältsbrus genom att identifiera ett par hyperfina tillstånd som, när de utsätts för ett specifikt magnetfält, har en energiskillnad mellan sig som inte beror på små förändringar i magnetfältet. Dessutom, Gregory, Cornish och deras kollegor upptäckte ett subtilt tensorljusskifte mellan qubit-tillstånden. Ändå, de visade att denna förskjutning också kunde elimineras genom att noggrant välja polarisationsvinkeln för infångningslasern.

"Anmärkningsvärt nog, efter att ha eliminerat alla dessa källor till dekoherens, vi fann att koherenstiden var mycket längre än livslängden för vår molekylära gas (som begränsas av kollisionsförluster), ", sa Gregory och Cornish.

I framtiden, detta arbete kan informera utvecklingen av nya kvantteknologier som lagrar information inuti molekyler. Dessutom, det kan ha värdefulla konsekvenser för insamlingen av mätningar, som de tekniker som används av Gregory, Cornish och deras kollegor möjliggör särskilt långa interaktionstider med molekyler. Detta betyder att det kan användas för att samla in mycket exakta mätningar vid hyperfina tillstånd av molekyler, vilket i sin tur skulle kunna bredda den nuvarande förståelsen av deras interna struktur.

"Grinsoperationer med ultrakalla molekyler är möjliga genom att använda resonanta dipol-dipol-interaktioner, ", sa Gregory och Cornish. "Sådana interaktioner kan nås genom att använda molekylens rotationstillstånd. Vi utvecklar för närvarande en roterande magisk fälla, där ljusförskjutningen av marken och första rotationsexiterade tillstånd kommer att vara identiska. En sådan fälla kommer att stödja lång koherens mellan rotationstillstånd, vilket kommer att vara viktigt för att implementera hoptrasslande portar med hög trohet, samt att studera modeller som är relevanta för kvantmagnetism."

För flera kvantberäkningstillämpningar, användningen av ultrakalla molekyler är endast möjlig om molekyler är begränsade inom en kontrollerbar rumslig array och kan övervakas och nås individuellt. Gregory, Cornish och deras kollegor arbetar alltså nu också med en strategi för att ladda molekyler i optiska gitter och sätta samman enskilda molekyler i arrayer, förvara dem i optiska pincettfällor.

"Att isolera molekylerna på detta sätt kommer också att förhindra kollisioner mellan molekyler, " Gregory och Cornish tillade. "Detta kommer att öka den tillgängliga interaktionstiden ytterligare och kommer att tillåta oss att sätta bättre gränser för koherenstiden i framtiden."

© 2021 Science X Network