Genom att placera molekylära qubits i en asymmetrisk kristallmatris fann Prof. David Awschalom och hans team att vissa kvanttillstånd var mycket mindre känsliga för externa magnetfält. Kredit:Awschalom Group, D. Laorenza/MIT
Konceptet "symmetri" är väsentligt för fundamental fysik:ett avgörande element i allt från subatomära partiklar till makroskopiska kristaller. Följaktligen kan en brist på symmetri - eller asymmetri - drastiskt påverka egenskaperna hos ett givet system.
Qubits, kvantanalogen av datorbitar för kvantdatorer, är extremt känsliga - den minsta störningen i ett qubitsystem räcker för att det ska förlora all kvantinformation som det kan ha burit. Med tanke på denna bräcklighet verkar det intuitivt att qubits skulle vara mest stabila i en symmetrisk miljö. Men för en viss typ av qubit – en molekylär qubit – är det motsatta sant.
Forskare från University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME), University of Glasgow och Massachusetts Institute of Technology har funnit att molekylära qubits är mycket mer stabila i en asymmetrisk miljö, vilket utökar de möjliga tillämpningarna av sådana qubits, särskilt som biologiska kvantsensorer.
Verket publicerades i augusti i Physical Review X .
"Molekylära qubits är anmärkningsvärt mångsidiga, eftersom de kan specialkonstrueras och placeras i en mängd olika miljöer", säger David Awschalom, Liew Family Professor i molekylär teknik och fysik vid UChicago, senior forskare vid Argonne, chef för Chicago Quantum Exchange och chef för Q-NEXT, en Department of Energy Quantum Information Science Center. "Att utveckla denna metod för att stabilisera dem öppnar nya dörrar för potentiella tillämpningar av denna framväxande teknologi."
Att använda ett system som en qubit kräver att det har två kvanttillstånd som kan motsvara "0" och "1", som i en klassisk dator. Men kvanttillstånd är ömtåliga och kommer att kollapsa om de störs på något sätt. Kvantforskare har tänjt på gränserna för hur länge de kan få en qubit att hålla ett kvanttillstånd innan den kollapsar, även känd som "koherenstid."
Att skärma qubits från så mycket yttre påverkan som möjligt är ett sätt att försöka öka deras koherenstid, och genom att placera de molekylära qubits i en asymmetrisk kristallmatris fann Awschalom och hans team att vissa kvanttillstånd var mycket mindre känsliga för externa magnetfält, och hade därmed längre koherenstider:10 µs, jämfört med 2 µs för identiska qubits i en symmetrisk kristallmatris.
Dan Laorenza, en doktorand i kemi vid MIT som arbetade med projektet, säger att den asymmetriska miljön ger "koherensskydd" som kan tillåta qubitarna att behålla sin kvantinformation även om de placeras på mer kaotiska platser.
"Vi förstår nu en direkt och pålitlig mekanism för att förbättra koherensen av molekylära qubits i magnetiskt bullriga miljöer," sa han. "Det viktigaste är att denna asymmetriska miljö lätt kan översättas till många andra molekylära system, särskilt för molekyler som placeras i amorfa miljöer som de som finns i biologi."
Qubit kvantsensorer har otaliga potentiella tillämpningar i biologiska system, särskilt i medicinska sammanhang; men dessa system är kända för att vara ostrukturerade och bullriga, vilket gör att upprätthålla koherensen hos dessa qubit-sensorer till en mycket svår utmaning. Att lära sig varför en asymmetrisk miljö stabiliserar molekylära qubits mot magnetfält kan leda till bättre sensorer inom dessa forskningsområden. + Utforska vidare
