Vì chúng quá lớn và khó thao tác, các phân tử từ lâu đã thách thức nỗ lực của các nhà vật lý nhằm dụ chúng vào trạng thái vướng víu lượng tử có kiểm soát, trong đó các phân tử liên kết chặt chẽ ngay cả ở khoảng cách xa.
Giờ đây, lần đầu tiên, hai đội riêng biệt đã thành công trong việc làm vướng víu các cặp phân tử cực lạnh bằng cùng một phương pháp: “bẫy nhíp” quang học chính xác đến mức hiển vi.
Sự vướng víu lượng tử là một hiện tượng kỳ lạ nhưng cơ bản trong thế giới lượng tử mà các nhà vật lý đang cố gắng tận dụng để tạo ra những chiếc máy tính lượng tử thương mại đầu tiên.
Tất cả các vật thể – từ electron, nguyên tử đến phân tử và thậm chí toàn bộ thiên hà – về mặt lý thuyết đều có thể được mô tả dưới dạng phổ khả năng trước khi chúng được quan sát. Chỉ bằng cách đo lường tài sản thì bánh xe may rủi mới có được một mô tả rõ ràng.
Nếu hai vật bị vướng víu, việc biết điều gì đó về các đặc tính của một vật – spin, vị trí hoặc động lượng của nó – ngay lập tức đóng vai trò tương tự đối với vật kia, khiến cả hai bánh quay tiềm năng của chúng dừng lại hoàn toàn.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã có thể kết nối các ion, photon, nguyên tử và mạch siêu dẫn trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Ví dụ, ba năm trước, một đội đã liên kết hàng nghìn tỷ nguyên tử thành một loại khí “nóng và hỗn loạn”. Ấn tượng, nhưng không thực tế lắm.
Các nhà vật lý cũng bị vướng vào Nguyên tử và phân tử Trước đây, thậm chí Phức hợp sinh học Tìm thấy trong tế bào thực vật. Nhưng việc kiểm soát và điều khiển các cặp phân tử riêng lẻ – với đủ độ chính xác cho mục đích tính toán lượng tử – là một nhiệm vụ khó khăn hơn.
Các phân tử khó làm mát và dễ tương tác với môi trường xung quanh, điều đó có nghĩa là chúng dễ dàng rơi ra khỏi trạng thái vướng víu lượng tử mong manh sự mất kết hợp).
Một ví dụ về những tương tác như vậy là Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực: Cách mà đầu dương của một phân tử có cực có thể bị kéo về phía đầu âm của phân tử khác.
Nhưng những đặc tính tương tự này làm cho các phân tử trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho qubit trong điện toán lượng tử vì chúng mang lại những khả năng tính toán mới.
“Trạng thái spin phân tử tầm xa của chúng tạo thành các qubit mạnh đồng thời cung cấp tương tác lưỡng cực tầm xa giữa các phân tử. Rối lượng tử“,” Anh ấy giải thích Nhà vật lý Harvard Yi Cheng Bao và các đồng nghiệp của ông, trong bài báo của họ.
Qubit là phiên bản lượng tử của các bit điện toán cổ điển, có thể giả định giá trị 0 hoặc 1. Mặt khác, Qubit có thể biểu thị Nhiều sự kết hợp có thể 1 và 0 cùng lúc
Bằng cách làm vướng víu các qubit, độ mờ lượng tử kết hợp của 1 và 0 có thể đóng vai trò là máy tính nhanh trong các thuật toán được thiết kế đặc biệt.
Các phân tử, là những thực thể phức tạp hơn nguyên tử hoặc hạt, có nhiều đặc tính hoặc trạng thái cố hữu hơn, có thể kết hợp với nhau để tạo thành một qubit.
“Về mặt thực tế, điều này có nghĩa là có những cách mới để lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử.” Anh ta nói Yucai Lu, sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện và máy tính tại Princeton, đồng tác giả của nghiên cứu thứ hai.
“Ví dụ, một phân tử có thể dao động và quay ở nhiều chế độ. Vì vậy, bạn có thể sử dụng hai trong số các chế độ này để mã hóa một qubit. Nếu một loại phân tử có cực, hai phân tử có thể tương tác ngay cả khi chúng cách xa nhau về mặt không gian.”
Cả hai nhóm đều tạo ra các phân tử canxi monofluoride (CaF) cực lạnh và sau đó bẫy từng phân tử một trong nhíp quang học.
Sử dụng các chùm ánh sáng laser tập trung chặt chẽ này, các phân tử được đặt thành từng cặp, đủ gần để phân tử CaF có thể cảm nhận được tương tác lưỡng cực điện tầm xa của đối tác của nó. Điều này ràng buộc từng cặp phân tử vào một trạng thái lượng tử vướng víu, ngay trước khi chúng trở nên kỳ lạ.
Phương pháp này, thông qua thao tác chính xác với từng phân tử, “mở đường cho sự phát triển các nền tảng mới, linh hoạt cho công nghệ lượng tử”. Anh ấy viết Augusto Smerzi, nhà vật lý tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Ý, ở góc nhìn đồng hành.
Summerzy không tham gia vào nghiên cứu nhưng anh nhận thấy tiềm năng của nó. Bằng cách tận dụng sự tương tác lưỡng cực của các phân tử, ông cho biết một ngày nào đó hệ thống này có thể được sử dụng để phát triển các cảm biến lượng tử siêu nhạy có khả năng phát hiện các điện trường cực yếu.
“Các ứng dụng mở rộng từ điện não đồ để đo hoạt động điện trong não đến theo dõi sự thay đổi của điện trường trong lớp vỏ Trái đất đến dự đoán động đất.” Anh ấy suy đoán.
“Nhà phân tích. Con mọt sách thịt xông khói đáng yêu. Doanh nhân. Nhà văn tận tâm. Ninja rượu từng đoạt giải thưởng. Một độc giả quyến rũ một cách tinh tế.”