För första gången har ett team av Princeton-fysiker kunnat länka samman enskilda molekyler till speciella tillstånd som är kvantmekaniskt "intrasslade". I dessa bisarra tillstånd förblir molekylerna korrelerade med varandra - och kan interagera samtidigt - även om de är mil från varandra, eller faktiskt, även om de upptar motsatta ändar av universum. Denna forskning publicerades nyligen i tidskriften Science .

"Detta är ett genombrott i molekylernas värld på grund av den grundläggande betydelsen av kvantintrassling", säger Lawrence Cheuk, biträdande professor i fysik vid Princeton University och senior författare till artikeln. "Men det är också ett genombrott för praktiska tillämpningar eftersom intrasslade molekyler kan vara byggstenarna för många framtida tillämpningar."

Dessa inkluderar till exempel kvantdatorer som kan lösa vissa problem mycket snabbare än konventionella datorer, kvantsimulatorer som kan modellera komplexa material vars beteenden är svåra att modellera och kvantsensorer som kan mäta snabbare än sina traditionella motsvarigheter.

"En av motiven för att göra kvantvetenskap är att i den praktiska världen visar det sig att om du utnyttjar kvantmekanikens lagar kan du göra mycket bättre på många områden", säger Connor Holland, doktorand i fysik avdelning och en medförfattare på arbetet.

Förmågan hos kvantenheter att överträffa klassiska är känd som "kvantfördelar". Och i kärnan av kvantfördelar är principerna för superposition och kvantförveckling. Medan en klassisk datorbit kan anta värdet av antingen 0 eller 1, kan kvantbitar, kallade qubits, samtidigt vara i superpositionen 0 och 1.

Det senare konceptet, entanglement, är en viktig hörnsten i kvantmekaniken och uppstår när två partiklar blir oupplösligt förbundna med varandra så att denna länk kvarstår, även om en partikel är ljusår bort från den andra partikeln. Det är fenomenet som Albert Einstein, som först ifrågasatte dess giltighet, beskrev som "spöklik handling på avstånd."

Sedan dess har fysiker visat att intrassling faktiskt är en korrekt beskrivning av den fysiska världen och hur verkligheten är uppbyggd.

"Kvantuminttrassling är ett grundläggande begrepp", sa Cheuk, "men det är också nyckelingrediensen som ger kvantfördelar."

Men att bygga kvantfördelar och uppnå kontrollerbar kvantintrassling är fortfarande en utmaning, inte minst eftersom ingenjörer och forskare fortfarande är oklart om vilken fysisk plattform som är bäst för att skapa kvantbitar.

Under de senaste decennierna har många olika tekniker – som fångade joner, fotoner och supraledande kretsar, för att bara nämna några få – utforskats som kandidater för kvantdatorer och enheter. Det optimala kvantsystemet eller qubit-plattformen kan mycket väl bero på den specifika applikationen.

Fram till detta experiment hade dock molekyler länge trotsat kontrollerbar kvantintrassling. Men Cheuk och hans kollegor hittade ett sätt, genom noggrann manipulation i laboratoriet, att kontrollera enskilda molekyler och locka in dem till dessa sammankopplade kvanttillstånd.

De trodde också att molekyler har vissa fördelar - framför atomer, till exempel - som gjorde dem särskilt väl lämpade för vissa tillämpningar inom kvantinformationsbehandling och kvantsimulering av komplexa material. Jämfört med atomer, till exempel, har molekyler fler kvantfria frihetsgrader och kan interagera på nya sätt.

"Vad detta betyder i praktiska termer är att det finns nya sätt att lagra och bearbeta kvantinformation", säger Yukai Lu, doktorand i elektro- och datorteknik och medförfattare till tidningen. "Till exempel kan en molekyl vibrera och rotera i flera lägen. Så du kan använda två av dessa lägen för att koda en qubit. Om den molekylära arten är polär kan två molekyler interagera även när de är spatialt separerade."

Ändå har molekyler visat sig notoriskt svåra att kontrollera i laboratoriet på grund av deras komplexitet. Själva frihetsgraderna som gör dem attraktiva gör dem också svåra att kontrollera eller hålla fast i laboratoriemiljöer.

Cheuk och hans team tog sig an många av dessa utmaningar genom ett noggrant genomtänkt experiment. De valde först en molekylär art som är både polär och kan kylas med laser. De laserkylde sedan molekylerna till ultrakalla temperaturer, där kvantmekaniken står i centrum.

Enskilda molekyler plockades sedan upp av ett komplext system av hårt fokuserade laserstrålar, så kallade "optiska pincett". Genom att konstruera pincettens positioner kunde de skapa stora arrayer av enstaka molekyler och individuellt placera dem i vilken önskad endimensionell konfiguration som helst. Till exempel skapade de isolerade par av molekyler och defektfria strängar av molekyler.

Därefter kodade de en qubit till ett icke-roterande och roterande tillstånd av molekylen. De kunde visa att denna molekylära qubit förblev koherent; det vill säga, den kom ihåg sin överlagring. Kort sagt visade forskarna förmågan att skapa välkontrollerade och sammanhängande qubits av individuellt kontrollerade molekyler.

För att trassla in molekylerna var de tvungna att få molekylen att interagera. Genom att använda en serie mikrovågspulser kunde de få enskilda molekyler att interagera med varandra på ett sammanhängande sätt.

Genom att tillåta interaktionen att fortgå under en exakt tid kunde de implementera en två-qubit-grind som trasslade in två molekyler. Detta är betydelsefullt eftersom en sådan sammantrasslande två-qubit-grind är en byggsten för både universell digital kvantberäkning och för simulering av komplexa material.

Potentialen för denna forskning för att undersöka olika områden inom kvantvetenskap är stor, med tanke på de innovativa funktionerna som erbjuds av denna nya plattform av molekylära pincettuppsättningar. I synnerhet är Princeton-teamet intresserade av att utforska fysiken hos många interagerande molekyler, som kan användas för att simulera kvantsystem med många kroppar där intressanta framväxande beteenden, såsom nya former av magnetism, kan dyka upp.

"Att använda molekyler för kvantvetenskap är en ny gräns, och vår demonstration av intrassling på begäran är ett nyckelsteg för att visa att molekyler kan användas som en livskraftig plattform för kvantvetenskap", säger Cheuk.

I en separat artikel publicerad i samma nummer av Science , en oberoende forskargrupp ledd av John Doyle och Kang-Kuen Ni vid Harvard University och Wolfgang Ketterle vid Massachusetts Institute of Technology uppnådde liknande resultat.

"Det faktum att de fick samma resultat verifierar tillförlitligheten av våra resultat," sa Cheuk. "De visar också att molekylära pincettuppsättningar håller på att bli en spännande ny plattform för kvantvetenskap."

Mer information: Connor M. Holland et al., On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical pincet array, Science (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

Yicheng Bao et al, Dipolärt spinnutbyte och intrassling mellan molekyler i en optisk pincettuppsättning, Science (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

Augusto Smerzi et al, Entanglement with tweezed molecules, Science (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av Princeton University