Realizovani simetrijski zaštićeni molekularni kubiti na bazi hladnih poliatomskih molekula

Istraživači decenijama pokušavaju da razviju sve naprednije i moćnije kvantne kompjutere, koji bi nadmašili klasične kompjutere u nekim zadacima. Radi toga pokušavaju da identifikuju nove načine za skladištenje i kontrolisanje kubita, fundamentalnih jedinica podataka u kvantnim kompjuterskim sistemima.

Dosad je većina studija razvijala kvantne sisteme koji skladište kubite pomoću superprovodnih materijala, zarobljenih jona i spina elektrona zatvorenih u kvantnim tačkama, tj. sićušnim strukturama na bazi poluprovodnika.

Preporučujemo

Još jedna obećavajuća, ali mnogo ređe istraživana platforma za skladištenje i kontrolisanje kubita oslanja se na polarne poliatomske molekule, koji imaju više od dva atoma i neravnomernu distribuciju elaktričnog naboja.

Istraživači iz Instituta Maks Plank za kvantnu optiku istraživali su mogućnost skladištenja i merenja kvantnih superpozicija u specifičnim rotacionim kvantnim stanjima ovih molekula. Njihova studija otkriva interesantan novi put za razvoj kvantnog računarstva i senzornih tehnologija, pomoću rotacionih stanja hladnih poliatomskih molekula.

„Godinama smo radili sa formaldehidom i sličnim molekulima i znali smo da su rotaciona stanja sa kojima smo radili zapravo parovi degenerisanih stanja u skladu sa rotacijom u smeru kazaljke sata i u smeru suprotno kretanju kazaljke sata, ali smo manje-više ignorisali tu činjenicu“, kažu istraživači.

Pokazali su da su specifična rotaciona kvantna stanja polarnih molekula posebno pogodna za skladištenje kvantnih superpozicija.

Molekularna rotaciona stanja sa nenultom projekcijom momenta impulsa na pravcu električnog polja javljaju se u parovima – verzija u smeru kazaljke sata i verzija suprotna smeru kazaljke sata – sa nerazlikujućim svojstvima u mnogim pogledima.

Međutim, ova nepravilnost može se smatrati bitnom odlikom, pošto bi kvantna superpozicija u suštini mogla biti skrivena u ovim parovima stanja, zbog njihovih na mnoge načine indentičnih osobina, dok se ostali molekularni stepeni slobode tretiraju nezavisno.

Ideja novog rada jeste da bi se parovi stanja suprotne rotacije u polarnim molekulima mogli upotrebiti za omogućavanje znatnog skladištenja kvantnih informacija. Tako je zato što se uparivanje ovih stanja može smatrati nezavisnim od preostalih molekularnih stepeni slobode.

„Uviđanje da su ovi parovi interesantni je samo pola priče, pošto dugo nismo znali kako da proizvedemo i izmerimo superpozicije u ovim stanjima. U jednom trenutku, pak, shvatili smo da bi to bilo moguće putem neznatno asimetrične prirode formaldehida“, kažu istraživači.

Glavni cilj studije bio je da se demonstrira da kvantne superpozicije mogu biti skladištene i izmerene u parovima stanja sa suprotnom rotacijom molekula formaldehida. Radi toga je, pak, prvo trebalo ohladiti i pouzdano zarobiti molekule.

„Pre nego što i pomislimo na merenja koherencije, moramo da ohladimo ili barem dovoljno usporimo molekule i zarobimo ih. Naši metodi se značajno razlikuju od većine drugih pristupa. Naša klopka je elektrostatična klopka: pošto naši molekuli imaju permanentni električni dipolni momenat, oni takoreći ‘osećaju’ električna polja, što nam omogućava da ih uhvatimo, ako zauzimaju odgovarajuća stanja“, kažu istraživači.

Ipak, nije obezbeđen dovoljan optički pristup i prisutne su velike nehomogenosti polja, tako da to nije idealna lokacija za merenja koherentnosti. Zbog toga je bilo potrebno malo kreativnosti.

Koristeći neznatnu asimetričnu strukturu formaldehida, upotrebljeno je radiofrekventno zračenje da bi se selektivno uklonili molekuli u jednom stanju superpozicije našeg ciljanog para stanja, ostavljajući komplementarno stanje superpozicije nedirnuto. Tako se stvara neravnoteža populacije između ta dva stanja.

Kad se doda spoljnje magnetno polje i malo kasnije pogleda populacija jednog od dva stanja, vide se divni obrasci oscilacija koji su prikazani u studiji, koji dokazuju postojanje koherencije između dva stanja superpozicije.

Istraživači su radi hlađenja molekula upotrebili tehniku takozvanog optoelektričnog sizifovskog hlađenja, koja omogućava hlađenje formaldehida i drugih polarnih molekula do veoma niskih temperatura. Glavni izazov za istraživače je bilo kodiranje kvantne superpozicije u željenim parovima stanja i zatim eksperimentalno demonstriranje postojanja ovih stanja.

Napori su bili uspešni i mogli bi stvoriti nove mogućnosti za budući razvoj kvantnih kompjuterskih sistema. Specifično, studija predstavlja novu paradigmu za realizaciju multikubitnih kvantnih kompjuterskih arhitektura utemeljnih u pojedinačnim molekulima na bazi kvaziskrivenih stepeni slobode.

„Pojedinačni kubit je smešten u molekularni stepen slobode dobro izolovan od ostalih stepeni slobode, što omogućava da se dodatni kubiti nezavisno skladište i kontrolišu u ostalim stepenima slobode“, kažu istraživači.

„Izolovani stepen slobode bio bi uparivanje rotacionih stanja u smeru kazaljke sata i u smeru suprotnom kretanju kazaljke sata, što je vrlo dobro izolovano zbog na mnoge načine identičnih svojstava oba stanja u svakom paru. Napravili smo veliki korak u demonstraciji ove paradigme pripremajući i mereći kvantnu superpoziciju u ovim izolovanim parovima stanja“.

Dalje izuzetno postignuće je to što se superpozicija u parovima stanja ispostavila kao krajnje snažna, s obzirom da je okruženje u eksperimentu bilo vrlo turbulentno. U sličnim eksperimentalnim uslovima, generička električna klopka uništila bi superpoziciju između generičkog para stanja u roku manjem od jedne nanosekunde, usled različitih električnih polja u različitim delovima klopke.

„Dok specifična svojstva naše mikrostrukturirane električne klopke povećavaju moguće vreme koherencije za generički par stanja na oko 100 nanosekundi, identična zavisnost od magnitude električnog polja za oba stanja u svakom od parova omogućava da osmotrimo vremena koherencije od oko 100 mikrosekundi“, kažu istraživači. „Štaviše, ovo nije ograničeno nekom stvarnom dekoherencijom, već time koliko vremena možemo da posmatramo dati molekul. Tako da ovo zaista pokazuje snagu naših kubita“.

Ovaj rad može doprineti razvoju kvantnih kompjuterskih sistema na bazi polarnih molekula. Autori se nadaju da će buduće istraživanje omogućiti eksperimentalnu demonstraciju pune implementacije kvaziskrivenih stepeni slobode kao platforme kvantnog računarstva, uključujući kodiranje, kontrolisanje i čitanje kubita u ostalim molekularnim stepenima slobode sa istovremenim skladištenjem kubita u kvaziskrivenom stepenu slobode, i kvantne kapije između kubita u kvaziskrivenom stepenu slobode i kubita u ostalim stepenima slobode.

Međutim, naučna zajednica teško prihvata nove i originalne (i pomalo egzotične) ideje na polju hladnih i ultrahladnih molekula. Druge eksperimentalne grupe obavljaju mnogo izvrsnog rada sa drugim vrstama molekula i nadamo se da će biti voljne da pokušaju implementaciju naših ideja, kažu istraživači.

„Štaviše, kolege u Austriji i Sjedinjenim Državama razmatraju kako njihove prilično drugačije ideje mogu da se razumeju u okviru našeg rada, tj. kvaziskrivenih stepeni slobode, i to pokazuje da ima potencijala da se naš rad razvije u neočekivanim pravcima“.

(Telegraf Nauka/Phys.org)