Молекулы не использовались в квантовых вычислениях, хотя у них есть потенциал сделать сверхскоростную экспериментальную технологию еще быстрее. Их богатые внутренние структуры считались слишком сложными, слишком тонкими, слишком непредсказуемыми для управления, поэтому использовались более мелкие частицы.

Но группе ученых из Гарварда впервые удалось захватить молекулы для выполнения квантовых операций . Этот подвиг был достигнут с помощью использования ультрахолодных полярных молекул в качестве кубитов, или фундаментальных единиц информации, которые питают технологию. Результаты, недавно опубликованные в журнале Nature, открывают новые сферы возможностей для использования сложности молекулярных структур для будущих приложений.

«Как область, мы пытались сделать это в течение 20 лет», — сказал старший соавтор Канг-Куен Ни, профессор химии Теодора Уильяма Ричардса и профессор физики. «И мы наконец смогли это сделать».

Физики и инженеры работали над разработкой квантовых вычислений в течение нескольких десятилетий. Технология, которая использует аспекты квантовой механики для вычислений, обещает скорость, экспоненциально превышающую скорость классических компьютеров, что может обеспечить революционные достижения в таких областях, как медицина, наука и финансы.

В мире квантовых вычислений доминируют эксперименты с захваченными ионами, нейтральными атомами и сверхпроводящими цепями. В этих системах крошечные отдельные частицы могут быть надежно захвачены, чтобы служить кубитами и формировать квантовые логические вентили . В статье группы Гарварда подробно описывается гораздо более сложный процесс, связанный с использованием молекул для формирования вентиля iSWAP, ключевой квантовой цепи, которая создает запутанность — то самое свойство, которое делает квантовые вычисления такими мощными.

Исследователи начали с захвата молекул натрия-цезия (NaCs) оптическим пинцетом в стабильной и чрезвычайно холодной среде. Затем электрические диполь-дипольные (или положительно-отрицательные) взаимодействия между молекулами использовались для выполнения квантовой операции. Тщательно контролируя вращение молекул относительно друг друга, команде удалось запутать две молекулы, создав квантовое состояние, известное как двухкубитное состояние Белла с точностью 94 процента.

Логические вентили позволяют обрабатывать информацию в квантовых компьютерах так же, как и в традиционных компьютерах. Но в то время как классические вентили манипулируют двоичными битами (нулями и единицами), квантовые вентили работают с кубитами, которые могут достигать так называемых суперпозиций, существующих в нескольких состояниях одновременно. Это означает, что квантовые компьютеры могут делать то, что было бы невозможно для традиционных машин, например, создавать запутанные состояния изначально или даже выполнять операции в нескольких вычислительных состояниях одновременно.

Квантовые вентили также обратимы и способны манипулировать кубитами с точностью, сохраняя при этом их квантовую природу. Вентили iSWAP, используемые в этом эксперименте, меняли состояния двух кубитов и применяли то, что называется фазовым сдвигом , что является важным шагом в создании запутанности, когда состояния двух кубитов становятся коррелированными независимо от расстояния между ними.

«Наша работа знаменует собой важную веху в технологии захваченных молекул и является последним строительным блоком, необходимым для создания молекулярного квантового компьютера», — сказала соавтор и научный сотрудник Энни Парк. «Уникальные свойства молекул, такие как их богатая внутренняя структура, открывают множество возможностей для развития этих технологий».

Ученые мечтали с 1990-х годов о том, чтобы использовать молекулярные системы с их ядерными спинами и методами ядерного магнитного резонанса для квантовых вычислений. Ряд ранних экспериментов показал обнадеживающие результаты, но молекулы оказались в целом нестабильными для использования в квантовых операциях из-за их непредсказуемых движений. Это может помешать когерентности, тонкому квантовому состоянию, необходимому для надежных операций.

Но захват молекул в сверххолодных средах, где можно контролировать сложные внутренние структуры молекул, помогает преодолеть это препятствие. Удерживая эти молекулы оптическим пинцетом — с точно сфокусированными лазерами для управления крошечными объектами — исследователи смогли минимизировать движение молекул и манипулировать их квантовыми состояниями.

Этот прорыв стал возможен благодаря нескольким сотрудникам лаборатории Ни, включая Льюиса Р. Б. Пикарда, Энни Дж. Парк, Габриэля Э. Патенотт и Сэмюэля Гебрецадкана, а также физикам из Центра теории квантовой материи Университета Колорадо.

Чтобы оценить всю операцию, исследовательская группа измерила полученное двухкубитное состояние Белла и изучила ошибки, вызванные любым движением, которое произошло. Это дало им идеи для улучшения стабильности и точности их установки в будущих экспериментах. Переключение между взаимодействующими и невзаимодействующими состояниями также позволило исследователям оцифровать свой эксперимент, предоставив дополнительные сведения.

«Есть много места для инноваций и новых идей о том, как использовать преимущества молекулярной платформы», — сказал Ни. «Я с нетерпением жду, что из этого получится».