I fisici del National Institute of Standards and Technology hanno potenziato il loro controllo delle proprietà fondamentali delle molecole a livello quantistico collegando o "impigliando" un atomo con carica elettrica e una molecola con carica elettrica, mostrando un modo per costruire sistemi informativi quantistici ibridi in grado di manipolare, memorizzare e trasmettere diverse forme di dati.

Descritto in a Natura articolo pubblicato online il 20 maggio il nuovo metodo NIST potrebbe aiutare a costruire reti e computer quantistici su larga scala collegando bit quantistici (qubit) basati su progetti hardware e frequenze operative altrimenti incompatibili. I sistemi quantistici a piattaforma mista potrebbero offrire una versatilità simile a quella dei sistemi informatici convenzionali, quale, Per esempio, può scambiare dati tra un elaboratore elettronico, un disco ottico, e un disco rigido magnetico.

Gli esperimenti del NIST hanno intrecciato con successo le proprietà di un elettrone nello ione atomico con gli stati rotazionali della molecola in modo che le misurazioni di una particella controllassero le proprietà dell'altra. La ricerca si basa sulla dimostrazione dello stesso gruppo del 2017 del controllo quantistico di una molecola, quali tecniche estese a lungo utilizzate per manipolare gli atomi nell'arena più complicata e potenzialmente più fruttuosa offerta dalle molecole, composto da più atomi legati tra loro.

Le molecole hanno vari livelli di energia interna, come atomi, ma anche ruotare e vibrare a molte velocità e angoli diversi. Le molecole potrebbero quindi fungere da mediatori nei sistemi quantistici convertendo le informazioni quantistiche su un'ampia gamma di frequenze di qubit che vanno da poche migliaia a qualche trilione di cicli al secondo. Con vibrazione, le molecole potrebbero offrire frequenze di qubit ancora più elevate.

"Abbiamo dimostrato che lo ione atomico e lo ione molecolare sono entangled, e abbiamo anche mostrato che ottieni un'ampia selezione di frequenze di qubit nella molecola, "Ha detto il fisico del NIST James (Chin-wen) Chou.

Un qubit rappresenta i bit di dati digitali 0 e 1 in termini di due diversi stati quantistici, come i livelli di energia bassa e alta in un atomo. Un qubit può anche esistere in una "sovrapposizione" di entrambi gli stati contemporaneamente. I ricercatori del NIST hanno intrecciato due livelli energetici di uno ione atomico di calcio con due diverse coppie di stati rotazionali di uno ione molecolare di idruro di calcio, che è uno ione calcio legato ad un atomo di idrogeno. Il qubit molecolare aveva una frequenza di transizione, la velocità del ciclo tra due stati rotazionali, di bassa energia a 13,4 kilohertz (kHz, migliaia di cicli al secondo) o ad alta energia a 855 miliardi di cicli al secondo (gigahertz o GHz).

"Le molecole forniscono una selezione di frequenze di transizione e possiamo scegliere tra molti tipi di molecole, quindi questa è una vasta gamma di frequenze qubit che possiamo portare nella scienza dell'informazione quantistica, " Disse Chou. "Stiamo sfruttando le transizioni che si trovano in natura, quindi i risultati saranno gli stessi per tutti".

Gli esperimenti hanno utilizzato una formula specifica di raggi laser blu e infrarossi di varie intensità, orientamenti e sequenze di impulsi per raffreddare, entangle e misura gli stati quantistici degli ioni.

Primo, i ricercatori del NIST hanno intrappolato e raffreddato i due ioni ai loro stati di energia più bassa. La coppia si respinse a causa della vicinanza fisica e delle cariche elettriche positive, e la repulsione agiva come una molla che bloccava il loro moto. Gli impulsi laser hanno aggiunto energia alla rotazione della molecola e hanno creato una sovrapposizione di stati rotazionali a bassa e alta energia, che ha innescato anche un movimento condiviso, così i due ioni iniziarono a oscillare o oscillare all'unisono, in questo caso in direzioni opposte.

La rotazione della molecola era quindi impigliata con il suo movimento. Più impulsi laser hanno sfruttato il movimento condiviso dei due ioni per indurre lo ione atomico in una sovrapposizione di livelli di energia bassa e alta. In questo modo, l'entanglement è stato trasferito dal movimento per abbracciare l'atomo. I ricercatori hanno determinato lo stato dello ione atomico puntando un laser su di esso e misurandone la fluorescenza, o quanta luce ha disperso.

I ricercatori del NIST hanno dimostrato la tecnica con due serie di proprietà rotazionali della molecola, ottenendo con successo l'entanglement l'87% delle volte con una coppia a bassa energia (qubit) e il 76% delle volte con una coppia a più alta energia. Nel caso di bassa energia, la molecola ruotava con due angoli leggermente diversi, come una cima, ma in entrambi gli stati contemporaneamente. Nel caso ad alta energia, la molecola ruotava a due velocità contemporaneamente, separati da una grande differenza di velocità.

Il nuovo lavoro è stato reso possibile dalle tecniche di logica quantistica mostrate nell'esperimento del 2017. I ricercatori hanno applicato impulsi di luce laser a infrarossi per guidare la commutazione tra due degli oltre 100 possibili stati di rotazione della molecola. I ricercatori sapevano che questa transizione si è verificata perché una certa quantità di energia è stata aggiunta al movimento condiviso dei due ioni. I ricercatori sapevano che gli ioni erano impigliati in base ai segnali luminosi emessi dallo ione atomico.

I nuovi metodi potrebbero essere utilizzati con un'ampia gamma di ioni molecolari composti da diversi elementi, offrendo un'ampia selezione di proprietà qubit.

L'approccio potrebbe collegare diversi tipi di qubit che operano a frequenze diverse, come atomi e sistemi superconduttori o particelle leggere, compresi quelli nelle telecomunicazioni e nei componenti a microonde. Oltre alle applicazioni nell'informazione quantistica, le nuove tecniche possono anche essere utili nella realizzazione di sensori quantistici o nell'esecuzione di chimica quantistica avanzata.