Per la prima volta, un team di fisici di Princeton è riuscito a collegare insieme singole molecole in stati speciali che sono "entangled" dal punto di vista quantistico. In questi stati bizzarri, le molecole rimangono correlate tra loro – e possono interagire simultaneamente – anche se sono a chilometri di distanza, o addirittura, anche se occupano le estremità opposte dell’universo. Questa ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista Science .
"Si tratta di una svolta nel mondo delle molecole a causa dell'importanza fondamentale dell'entanglement quantistico", ha affermato Lawrence Cheuk, assistente professore di fisica all'Università di Princeton e autore senior dell'articolo. "Ma è anche una svolta per le applicazioni pratiche perché le molecole entangled possono essere gli elementi costitutivi di molte applicazioni future."
Questi includono, ad esempio, computer quantistici che possono risolvere determinati problemi molto più velocemente dei computer convenzionali, simulatori quantistici che possono modellare materiali complessi i cui comportamenti sono difficili da modellare e sensori quantistici che possono misurare più velocemente rispetto alle loro controparti tradizionali.
"Una delle motivazioni che spingono a fare scienza quantistica è che, nel mondo pratico, si scopre che se si sfruttano le leggi della meccanica quantistica, si può fare molto meglio in molte aree", ha affermato Connor Holland, uno studente laureato in fisica. dipartimento e coautore del lavoro.
La capacità dei dispositivi quantistici di superare quelli classici è nota come “vantaggio quantistico”. E al centro del vantaggio quantistico ci sono i principi di sovrapposizione e entanglement quantistico. Mentre un bit di computer classico può assumere il valore 0 o 1, i bit quantistici, chiamati qubit, possono essere contemporaneamente in una sovrapposizione di 0 e 1.
Quest’ultimo concetto, l’entanglement, è una pietra miliare della meccanica quantistica e si verifica quando due particelle diventano inestricabilmente legate tra loro in modo che questo legame persista, anche se una particella è distante anni luce dall’altra. È il fenomeno che Albert Einstein, che in un primo momento ne mise in dubbio la validità, descrisse come "spettrale azione a distanza".
Da allora, i fisici hanno dimostrato che l'entanglement è, in effetti, una descrizione accurata del mondo fisico e di come è strutturata la realtà.
"L'entanglement quantistico è un concetto fondamentale", ha affermato Cheuk, "ma è anche l'ingrediente chiave che conferisce il vantaggio quantistico."
Ma costruire un vantaggio quantistico e ottenere un entanglement quantistico controllabile rimane una sfida, anche perché ingegneri e scienziati non hanno ancora chiaro quale sia la piattaforma fisica migliore per creare qubit.
Negli ultimi decenni, molte tecnologie diverse – come ioni intrappolati, fotoni e circuiti superconduttori, per citarne solo alcuni – sono state esplorate come candidate per computer e dispositivi quantistici. Il sistema quantistico o la piattaforma qubit ottimale potrebbe benissimo dipendere dall'applicazione specifica.
Fino a questo esperimento, tuttavia, le molecole avevano a lungo sfidato l’entanglement quantistico controllabile. Ma Cheuk e i suoi colleghi hanno trovato un modo, attraverso un'attenta manipolazione in laboratorio, per controllare le singole molecole e inducerle in questi stati quantistici interconnessi.
Credevano inoltre che le molecole presentassero alcuni vantaggi, rispetto agli atomi, ad esempio, che le rendevano particolarmente adatte per determinate applicazioni nell’elaborazione delle informazioni quantistiche e nella simulazione quantistica di materiali complessi. Rispetto agli atomi, ad esempio, le molecole hanno più gradi di libertà quantistici e possono interagire in modi nuovi.
"Ciò significa, in termini pratici, che esistono nuovi modi di archiviare ed elaborare le informazioni quantistiche", ha affermato Yukai Lu, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica e coautore dell'articolo. "Ad esempio, una molecola può vibrare e ruotare in più modalità. Quindi, puoi utilizzare due di queste modalità per codificare un qubit. Se la specie molecolare è polare, due molecole possono interagire anche se separate spazialmente."
Tuttavia, le molecole si sono rivelate notoriamente difficili da controllare in laboratorio a causa della loro complessità. Gli stessi gradi di libertà che li rendono attraenti li rendono anche difficili da controllare o racchiudere in ambienti di laboratorio.
Cheuk e il suo team hanno affrontato molte di queste sfide attraverso un esperimento attentamente studiato. Per prima cosa hanno scelto una specie molecolare che è polare e può essere raffreddata con i laser. Hanno poi raffreddato al laser le molecole a temperature ultrafredde, dove la meccanica quantistica è al centro della scena.
Le singole molecole sono state poi raccolte da un complesso sistema di raggi laser strettamente focalizzati, le cosiddette "pinzette ottiche". Progettando le posizioni delle pinzette, sono stati in grado di creare grandi schiere di singole molecole e posizionarle individualmente in qualsiasi configurazione unidimensionale desiderata. Ad esempio, hanno creato coppie isolate di molecole e stringhe di molecole prive di difetti.
Successivamente, hanno codificato un qubit in uno stato non rotante e rotante della molecola. Sono stati in grado di dimostrare che questo qubit molecolare rimaneva coerente; cioè ricordava la sua sovrapposizione. In breve, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di creare qubit coerenti e ben controllati a partire da molecole controllate individualmente.
Per intrappolare le molecole, dovevano far interagire la molecola. Utilizzando una serie di impulsi a microonde, sono stati in grado di far interagire le singole molecole tra loro in modo coerente.
Consentendo all'interazione di procedere per un preciso periodo di tempo, sono stati in grado di implementare un cancello a due qubit che intrecciava due molecole. Ciò è significativo perché una porta a due qubit così intricata è un elemento fondamentale sia per il calcolo quantistico digitale universale che per la simulazione di materiali complessi.
Il potenziale di questa ricerca per indagare diverse aree della scienza quantistica è ampio, date le caratteristiche innovative offerte da questa nuova piattaforma di array di pinzette molecolari. In particolare, il team di Princeton è interessato a esplorare la fisica di molte molecole interagenti, che possono essere utilizzate per simulare sistemi quantistici a molti corpi in cui possono apparire comportamenti emergenti interessanti, come nuove forme di magnetismo.
"L'uso delle molecole per la scienza quantistica è una nuova frontiera e la nostra dimostrazione dell'entanglement su richiesta è un passo fondamentale nel dimostrare che le molecole possono essere utilizzate come piattaforma praticabile per la scienza quantistica", ha affermato Cheuk.
In un articolo separato pubblicato nello stesso numero di Science , un gruppo di ricerca indipendente guidato da John Doyle e Kang-Kuen Ni dell'Università di Harvard e Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology ha ottenuto risultati simili.
"Il fatto che abbiano ottenuto gli stessi risultati verifica l'affidabilità dei nostri risultati", ha detto Cheuk. "Mostrano anche che gli array di pinzette molecolari stanno diventando una nuova entusiasmante piattaforma per la scienza quantistica."
Ulteriori informazioni: Connor M. Holland et al, Entanglement su richiesta di molecole in un array di pinzette ottiche riconfigurabili, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272
Yicheng Bao et al, Scambio di spin dipolare ed entanglement tra molecole in una matrice di pinzette ottiche, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999
Augusto Smerzi et al, Entanglement con molecole pizzicate, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università di Princeton
