Запутывание отдельных молекул, впервые в мире осуществленное физиками Принстона, несомненно, является шагом на пути к созданию долгожданных квантовых компьютеров для потребителей. Этот метод, позволяющий связывать отдельные молекулы на больших расстояниях, открывает недостижимые до сих пор возможности для квантовых вычислений и моделирования сложных материалов. До сих пор удавалось спутать только атомы или группы атомов.
Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы (или группы частиц) связаны между собой таким образом, что квантовое состояние одной из них мгновенно влияет на квантовое состояние другой, независимо от расстояния, разделяющего их. Эта особенность, которую Эйнштейн сначала считал нереальной, теперь признана фундаментальным принципом квантовой физики. Лоуренс Чук из Принстонского университета и его коллеги подчеркнули важность этого явления в новой работе, опубликованной в журнале .
В статье объясняется, что сложные молекулы, способные взаимодействовать одновременно, даже будучи разделенными световыми годами, представляют собой значительное достижение. Способность к дистанционному взаимодействию молекул открывает двери для революционных практических приложений, в частности, для создания более мощных квантовых компьютеров и точного моделирования сложных материалов, которые ранее были недоступны для традиционных технологий.
Принцип молекулярной запутанности
Молекулы, в отличие от атомов, имеют сложную структуру и, следовательно, больше степеней свободы в квантовом контексте. Это означает, что они могут существовать в большем количестве различных квантовых состояний. Юкай Лу, соавтор исследования, отмечает, что «эта молекулярная сложность позволяет использовать инновационные методы для хранения и обработки квантовой информации«.
Молекулы обладают способностью вибрировать и вращаться в нескольких различных режимах. Каждый из этих режимов может быть использован для представления различных квантовых состояний с помощью квантовых битов (кубитов) — фундаментальных единиц информации в квантовом компьютере. Такая универсальность открывает множество конфигураций для кодирования информации, что намного превосходит возможности, предлагаемые только атомами.
Это уникальное свойство молекул делает их особенно подходящими для таких приложений, как моделирование сложных материалов. При таком моделировании очень важна возможность точного моделирования взаимодействий между несколькими квантовыми состояниями. Молекулы могут более точно имитировать сложное поведение реальных материалов, что позволяет ученым лучше понять и предсказать их свойства.
Овладеть неконтролируемым: задача для молекул
Несмотря на все свои преимущества, молекулами, как известно, трудно управлять из-за их сложности. Поэтому авторы использовали «оптический пинцет». Эти устройства используют высокофокусированные лазерные лучи для захвата и управления сверхмалыми частицами, такими как молекулы. Принцип действия оптического пинцета основан на давлении излучения — силе/давлении, оказываемом светом на физические объекты. Настраивая свойства лазерного луча, такие как его интенсивность и фокусировка, ученые могут точно позиционировать и удерживать отдельные молекулы на месте.
Использование оптического пинцета для охлаждения молекул до сверхнизких температур очень важно, поскольку при таких температурах молекулы меньше подвержены возмущениям со стороны окружающей тепловой энергии. Это позволяет исследователям помещать их в особые квантовые состояния, необходимые для экспериментов по запутыванию.
Кроме того, исследователи используют микроволновые импульсы, чтобы вызвать контролируемые взаимодействия между молекулами. Воздействуя на молекулы в ловушке, микроволны изменяют их квантовые состояния когерентным и контролируемым образом. Такая когерентность необходима для запутывания, поскольку она обеспечивает предсказуемую и повторяющуюся связь квантовых состояний молекул.
На пути к практическому применению
Запутанность, достигаемая с помощью этого метода, является фундаментальным элементом для развития квантовых вычислений и моделирования сложных материалов. Квантовые компьютеры на основе молекул будут обладать уникальными характеристиками по сравнению с компьютерами, использующими традиционные кубиты, такие как ионы или фотоны.
В обычном компьютере биты работают по двоичной системе (0 и 1). В квантовых вычислениях кубиты — это единицы информации, которые могут существовать в суперпозиции |0⟩ и |1⟩ квантовых состояний. С другой стороны, кубиты — это единицы квантовой информации, которые могут существовать в суперпозиции трех ортогональных квантовых состояний, часто обозначаемых |0⟩, |1⟩ и |2⟩. Возможность оперировать тремя квантовыми состояниями, а не двумя, обеспечивает большую сложность и гибкость в обработке квантовой информации по сравнению с кубитами.
Для моделирования сложных материалов это свойство особенно выгодно. Молекулы с их квантовыми состояниями могут лучше имитировать сложные взаимодействия и энергетические состояния, которые происходят в реальных материалах. Это позволяет ученым моделировать явления, которые было бы крайне сложно, а то и невозможно, смоделировать с помощью кубитов.
Кроме того, способность молекул моделировать фундаментальные силы в физике открывает захватывающие перспективы. Кубиты могут позволить моделировать более сложные квантовые взаимодействия, такие как те, что участвуют в сильных и слабых ядерных силах, или в явлениях, которые еще плохо изучены, таких, как высокотемпературная сверхпроводимость.
Ханна Уильямс, физик из Даремского университета, подчеркивает важность этих достижений в статье, опубликованной в журнале Nature. Она отмечает, что быстрые темпы прогресса в использовании молекул для квантового моделирования указывают на то, что этот подход вскоре может стать предпочтительной платформой в данной области. Молекулы предлагают гибкость и возможности моделирования, которые могут превзойти существующие квантовые платформы, что позволит исследовать области физики и химии, которые ранее были недоступны.