物理学者は驚くべき精度で個々の分子を「もつれさせる」: ScienceAlert

かさばり、もつれにくい分子は、制御された量子もつれ状態に誘引しようとする物理学者の試みに長い間抵抗してきた。 これにより、分子は遠くからも密接に連結されます。

今、最初の2つの個々のチームが同じ方法、すなわち顕微鏡で精密な光学「ピンセットトラップ」を使用して超低温分子対を絡み合わせることに成功しました。

量子もつれは、物理学者が最初の商業用量子コンピュータを作るために活用しようとする量子領域の奇妙ながらも根本的な現象です。

電子から原子、分子、さらには銀河全体まで、すべての物体は理論的に観察される前に可能性のスペクトルとして説明することができます。 偶然の車輪が明確な説明に達するのは、属性を測定することによってのみ可能です。

2つの物体が絡み合っている場合、1つの物体の特性（スピン、位置、または運動量）を知ることはすぐに他の物体の測定値として機能し、回転する可能性の車輪を完全に停止します。

これまで、研究者たちはラボ実験で閉じ込められたイオン、光子、原子、超伝導回路を絡ませることに成功しました。 たとえば、3年前、チームは「熱くて汚れた」ガスに数兆個の原子を絡ませました。 印象的ですが、それほど実用的ではありません。

物理学者も 原子と分子 以前でも、 生物学的複合体 植物細胞に見られます。 しかし、量子コンピューティング目的のために十分な精度で個々の分子対を制御し操作することは、より困難な作業であった。

分子は冷却しにくく、周囲環境と簡単に相互作用します。 つまり、脆弱な量子もつれ状態（いわゆる フィット）。

このような相互作用の一例は次のとおりです。 双極子 – 双極子相互作用：極性分子の陽極端が他の分子の陰極端側に引っ張られる方法です。

しかし、これらの同じ特性は、分子が計算のための新しい可能性を提供するため、量子コンピューティングでキュビット候補を有望にします。

「彼らの長寿命の分子回転状態は堅牢なキュービットを形成し、分子間の長距離双極子相互作用は以下を提供します。 量子もつれ」 説明する ハーバード大学物理学者Yicheng Baoと同僚が論文で発表した内容です。

キュービットは、0または1の値を想定できるクラシックコンピューティングビットの量子バージョンです。 一方、キュービットは以下を表すことができます。 多数の可能な組み合わせ 1と0を同時に。

キュービットを絡ませることで、1と0の組み合わせ量子ぼかしは、特別に設計されたアルゴリズムで高速計算機として機能することができます。

原子や粒子よりも複雑な実体である分子は、キュービットを作るために一緒に結合することができるより多くの固有の特性または状態を持っています。

「実際にこれが意味するのは、量子情報を保存して処理する新しい方法があるということです」 と言う 第二の研究の共著者であるプリンストン大学の電気とコンピュータ工学の大学院生Yukai Lu。

「たとえば、分子は複数のモードで振動して回転できます。したがって、これらのモードの2つを使用してキュービットをエンコードできます。あります。」

どちらのチームも超低温カルシウムモノフルオリド（CaF）分子を生成し、光学ピンセットに1つずつ閉じ込めました。

このようにしっかりと集中したレーザー光線を使用して、分子は、1つのCaF分子がパートナーの長距離電気双極子相互作用を検出するのに十分近いペアに配置されました。 これにより、各分子対は、しばらく前に見知らぬ人であったときにもつれた量子状態に連結された。

個々の分子を正確に操作するこの方法は、「量子技術のための新しい多目的プラットフォームを開発するための道を開きます」。 書く イタリア国立研究委員会の物理学者であるAugusto Smerziが次の観点から説明します。

Smerziは研究に参加していませんが、その可能性を見ています。 彼は、分子の双極子相互作用を利用することによって、このシステムはいつか超微弱電界を検出することができる超高感度量子センサーを開発するために使用できると述べた。

「応用分野は、脳の電気活動を測定する脳波検査から、地震予測のために地殻内の電場の変化を監視することまでさまざまです.」 推測する。

両研究は次のように発表された。 科学、 ここ そして ここ。