Glomazni i teški za prepirku, molekuli su dugo prkosili pokušajima fizičara da ih namame u stanje kontrolisane kvantne isprepletenosti, pri čemu su molekuli blisko povezani čak i na daljinu.
Sada, po prvi put, dva odvojena tima su uspela da uplete parove ultra-hladnih molekula koristeći istu metodu: mikroskopski precizne optičke „zamke pincetom“.
Kvantna zapetljanost je bizaran, ali fundamentalan fenomen kvantnog carstva koji fizičari pokušavaju da iskoriste da bi stvorili prve, komercijalne kvantne računare.
Svi objekti – od elektrona preko atoma, molekula pa čak i čitavih galaksija – se teoretski mogu opisati kao spektar mogućnosti pre nego što budu posmatrani. Samo merenjem imovine točak slučaja postavlja jasan opis.
Ako su dva objekta upletena, saznanje nečega o svojstvima jednog objekta – njegovom okretanju, položaju ili momentu – momentalno deluje kao merenje na drugom, dovodeći oba njihova okretna točka mogućnosti do potpunog zaustavljanja.
Do sada, istraživači su uspeli da upleću zarobljene jone, fotone, atome i superprovodna kola u laboratorijskim eksperimentima. Pre tri godine, na primer, tim je upleo trilione atoma u „vruć i neuredan“ gas. Impresivno, ali ne baš praktično.
Fizičari su takođe ranije upleli atom i molekul, pa čak i biološke komplekse pronađene u biljnim ćelijama. Ali kontrola i manipulisanje parovima pojedinačnih molekula – sa dovoljno preciznosti za svrhe kvantnog računarstva – bio je teži zadatak.
Molekule je teško da se ohlade i lako stupaju u interakciju sa svojom okolinom, što znači da lako ispadaju iz krhkih kvantnih zapletenih stanja (ono što je poznato kao dekoherencija).
Jedan primer tih interakcija su dipol-dipol interakcije: način na koji se pozitivni kraj polarnog molekula može povući ka negativnom kraju drugog molekula.
Ali ta ista svojstva takođe čine molekule obećavajućim kandidatima za kubite u kvantnom računarstvu jer nude nove mogućnosti za izračunavanje.
„Njihova dugotrajna molekularna rotaciona stanja formiraju robusne kubite, dok dipolarna interakcija dugog dometa između molekula obezbeđuje kvantno preplitanje“, objašnjava fizičar sa Univerziteta Harvard Jicheng Bao i njegove kolege u svom radu.
Kubiti su kvantna verzija klasičnih računarskih bitova, koji mogu imati vrednost od 0 ili 1. Kubiti, s druge strane, mogu predstavljati brojne moguće kombinacije 1 i 0 u isto vreme.
Preplitanjem kubita, njihovo kombinovano kvantno zamućenje od 1s i 0s može da funkcioniše kao brzi kalkulatori u posebno dizajniranim algoritmima.
Molekuli, koji su složeniji entiteti od atoma ili čestica, imaju više inherentnih svojstava, ili stanja, koja bi se mogla nagovoriti na spajanje kako bi se napravio kubit.
„Ovo u praktičnom smislu znači da postoje novi načini skladištenja i obrade kvantnih informacija“, kaže Jukai Lu, diplomirani student elektrotehnike i računarstva na Univerzitetu Prinston, koji je koautor druge studije.
„Na primer, molekul može da vibrira i rotira u više režima. Dakle, možete koristiti dva od ovih režima da kodirate kubit. Ako je molekularna vrsta polarna, dva molekula mogu da komuniciraju čak i kada su prostorno odvojeni.“
Oba tima su generisala ultra-hladne molekule kalcijum monofluorida (CaF), a zatim ih, jednog po jednog, uhvatila u optičku pincetu.
Koristeći ove čvrsto fokusirane zrake laserske svetlosti, molekuli su bili pozicionirani u parovima, dovoljno blizu da jedan molekul CaF može osetiti električnu dipolarnu interakciju dugog dometa svog partnera. Ovo je dovelo do toga da je svaki par molekula postao povezan u zapetljanom kvantnom stanju kada su nedugo pre toga bili stranci.
Metoda, svojom preciznom manipulacijom pojedinačnih molekula, „utire put za razvoj novih svestranih platformi za kvantne tehnologije“, piše Augusto Smerzi, fizičar iz Nacionalnog istraživačkog saveta Italije, u pratećoj perspektivi.
Smerzi nije bio uključen u istraživanje, ali vidi njegov potencijal. Koristeći dipolne interakcije molekula, on kaže da bi se sistem jednog dana mogao koristiti za razvoj super-osetljivih kvantnih senzora sposobnih da detektuju ultraslaba električna polja.
„Aplikacije se protežu od elektroencefalografije za merenje električne aktivnosti u mozgu do praćenja promena u električnim poljima u Zemljinoj kori radi predviđanja zemljotresa“, spekuliše on.
