В новом подходе к квантовой технике ученые синтезируют "яркие" квантовые биты

Ученые разработали способ синтеза специально созданных молекулярных кубитов. Иллюстрация любезно предоставлена Даниэлем Лаоренца, Северо-Западный университет.

Обладая способностью использовать странные возможности квантовой механики, кубиты являются основой для потенциально изменяющих мир технологий - таких как мощные новые типы компьютеров или сверхточные датчики.

Кубиты (сокращение от квантовых битов) часто состоят из тех же полупроводниковых материалов, что и наша повседневная электроника. Но междисциплинарная группа химиков и физиков из Северо-Западного университета и Чикагского университета разработала новый метод создания индивидуальных кубитов: химическим синтезом молекул, которые кодируют квантовую информацию в их магнитные, или” спиновые", состояния.

Этот новый подход снизу вверх может в конечном счете привести к созданию квантовых систем, обладающих исключительной гибкостью и управляемостью, что поможет проложить путь для квантовых технологий следующего поколения.

"Химический синтез позволяет атомистически контролировать структуру кубита", - говорит Данна Фридман, профессор химии в Северо-Западном колледже искусств и наук Вайнберга. "Молекулярная химия создает новую парадигму для квантовой информатики.” Она руководила исследованиями вместе со своим коллегой Дэвидом Аушаломом из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Science в ноябре.

“Это доказательство концепции мощной и масштабируемой квантовой технологии", - сказал Авшалом, профессор молекулярной инженерии семьи Лью. “Мы можем использовать методы молекулярного проектирования для создания новых систем атомного масштаба для квантовой информатики. Объединение этих двух сообществ расширит интерес и будет иметь потенциал для улучшения квантового зондирования и вычислений.”

Связанные вопросы и ответы: Химик Данна Фридман объясняет суперпозицию, декогерентность и то, как все они складываются в самое интересное, что вы могли бы получить с наукой.

Авшалом также является директором Q-NEXT, Национального исследовательского центра квантовой информатики Департамента энергетики, созданного в августе и возглавляемого Аргоннской национальной лабораторией. Фридман, наряду с двумя другими северо-западными преподавателями, является членом нового центра.

Кубиты работают, используя явление, называемое суперпозицией. В то время как классические биты, используемые обычными компьютерами, измеряют либо 1, либо 0, кубит может быть и 1, и 0 одновременно.

Команда хотела найти новый восходящий подход к разработке молекул, спиновые состояния которых могут быть использованы в качестве кубитов и легко взаимодействовать с внешним миром. Для этого они использовали металлоорганические молекулы хрома для создания спинового состояния, которое они могли контролировать с помощью света и микроволн.

Возбуждая молекулы точно контролируемыми лазерными импульсами и измеряя излучаемый свет, они могли “считывать” спиновое состояние молекул после их размещения в суперпозиции — ключевое требование для использования их в квантовых технологиях.

Изменяя всего лишь несколько различных атомов в этих молекулах с помощью синтетической химии, они также смогли модифицировать как их оптические, так и магнитные свойства, подчеркивая перспективность специально созданных молекулярных кубитов.

“За последние несколько десятилетий было показано, что оптически адресуемые спины в полупроводниках чрезвычайно мощны для применений, включая квантовое зондирование”,-сказал Авшалом. "Перевод физики этих систем в молекулярную архитектуру открывает мощный инструментарий синтетической химии для обеспечения новых функциональных возможностей, которые мы только начинаем исследовать.”

“Наши результаты открывают новую область синтетической химии", - сказал Фридман. "Мы продемонстрировали, что синтетический контроль симметрии и связи создает кубиты, которые могут быть устранены так же, как дефекты в полупроводниках. Наш восходящий подход позволяет как функционализировать отдельные блоки в качестве "конструкторских кубитов" для целевых приложений, так и создавать массивы легко управляемых квантовых состояний, предлагая возможность масштабируемых квантовых систем.”

Одним из потенциальных применений для этих молекул могут быть квантовые датчики, предназначенные для нацеливания на конкретные молекулы. Такие датчики могут обнаруживать определенные клетки в организме, обнаруживать, когда пища портится или даже обнаруживать опасные химические вещества.

Этот восходящий подход также может помочь интегрировать квантовые технологии с существующими классическими технологиями.

“Некоторые из проблем, стоящих перед квантовыми технологиями, могут быть преодолены с помощью этого совершенно иного подхода снизу вверх",-сказал Сэм Бейлисс, постдокторант группы Awschalom и соавтор статьи. "Использование молекулярных систем в светоизлучающих диодах было трансформационным сдвигом; возможно, что-то подобное могло произойти с молекулярными кубитами.”

Даниэль Лаоренца, аспирант лаборатории Фридмана и один из первых авторов, видит огромный потенциал для химических инноваций в этом пространстве. “Этот химически специфический контроль над окружающей средой вокруг кубита обеспечивает ценную особенность для интеграции оптически адресуемых молекулярных кубитов в широкий спектр сред”, - сказал он.

Исследования проводились при поддержке Управления Военно-морских исследований, Национального научного фонда и Министерства энергетики.

Статья называется "оптически адресуемые молекулярные спины для квантовой обработки информации.” Среди других авторов статьи-аспиранты Чикагского университета Питер Минтун и Берк дилер Ковос.

Эта история была адаптирована из статьи на новостном сайте Чикагского университета.

Источник: news.northwestern.edu

Комментарии: