Квантовый скачок: Физики впервые смогли запутать молекулы

Группа физиков из Принстонского университета впервые смогла связать отдельные молекулы в особые состояния, в которых они квантово-механически «спутаны». В таких странных состояниях молекулы остаются взаимосвязанными друг с другом и могут взаимодействовать одновременно, даже если они находятся на расстоянии в милях друг от друга или находятся на противоположных концах Вселенной. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.


Чтобы заставить молекулы войти в спутанное состояние, ученые использовали метод, называемый «методом динамической поляризации». Он заключается в том, что к молекулам применяют воздействие магнитного поля, которое меняет их квантовое состояние. Когда молекулы достигают определенного квантового состояния, они становятся спутанными.

В своем эксперименте ученые поместили молекулы йода и фтора в сверхпроводящий чип. Затем они применили к чипу воздействие магнитного поля. Благодаря этому они смогли заставить молекулы войти в спутанное состояние. Экспериментаторы обнаружили, что спутанные молекулы могут сохранять свои квантовые свойства в течение нескольких миллисекунд. Это значительно дольше, чем у других квантовых систем, таких как атомы или фотоны.


— Лоуренс Чжэук, доцент физики в Принстонском университете и главный автор статьи.

Среди них, например, квантовые компьютеры, способные решать определенные задачи гораздо быстрее, чем обычные, квантовые симуляторы, которые могут моделировать сложные материалы, поведение которых сложно смоделировать и квантовые сенсоры, способные измерять быстрее, чем их традиционные аналоги.


— Коннор Холланд, аспирант физического факультета и соавтор исследования.

Возможность квантовым устройствам превосходить классические известна как «квантовое преимущество». В его основе лежат принципы суперпозиции и квантовой спутанности. В то время как классический бит в компьютере может принимать значение либо 0, либо 1, квантовый бит, называемый кубитом, может одновременно находиться в суперпозиции 0 и 1.

Второй концепт, спутанность, является одним из краеугольных камней квантовой механики и возникает, когда две частицы становятся неразделимо связанными друг с другом, и эта связь сохраняется, даже если одна частица находится на расстоянии в световые годы от другой. Это явление впервые было описано Альбертом Эйнштейном, он сначала поставил под сомнение его действительность, а затем назвал «страшным воздействием на расстоянии».

С тех пор физики продемонстрировали, что спутанность, фактически, точное описание физического мира и структурированности реальности. Однако создание квантового преимущества и достижение контролируемой квантовой спутанности остается сложной задачей, в основном потому, что инженеры и ученые до сих пор не пришли к общему мнению, какая физическая платформа лучше всего подходит для создания кубитов.

За последние десятилетия было исследовано множество разных технологий — запертые ионы, фотоны и сверхпроводящие цепи — как кандидаты для квантовых компьютеров и устройств. Оптимальная квантовая система или платформа для кубита может очень сильно зависеть от конкретного приложения.

До этого эксперимента молекулы долго сопротивлялись контролируемой квантовой спутанности. Но Чжэук и его коллеги нашли способ, через тщательное манипулирование в лаборатории, контролировать отдельные молекулы и уговаривать их входить в эти сплетенные квантовые состояния.

Они также предположили, что у молекул есть определенные преимущества перед атомами, например, что они особенно хорошо подходят для определенных приложений в области квантовой обработки информации и квантовой симуляции сложных материалов. В сравнении с атомами у молекул, например, больше квантовые степени свободы и возможность взаимодействовать новыми способами.


— Юкай Лу, аспирант по электротехнике и компьютерным технологиям и соавтор статьи.