Uusi vaihe kohti kvanttiteknologiaa

Chicagon ja Northwesternin -yliopistojen monitieteinen ryhmä on kehittänyt tavan syntetisoida räätälöityjä molekyylikubitteja.

Kubiteilla hyödynnetään kvanttimekaniikan outoja voimia ja ne muodostavat maailmaa muuttavien tekniikoiden perustan - kuten tehokkaat uudentyyppiset tietokoneet tai erittäin tarkat anturit.

Kubitit valmistetaan usein samoista puolijohtavista materiaaleista kuin jokapäiväinen elektroniikkamme.

Chicagon ja Northwestern -yliopistojen fyysikoiden ja kemistien välinen ryhmä on kuitenkin nyt kehittänyt uuden menetelmän räätälöityjen kubittien luomiseksi: syntetisoimalla kemiallisesti molekyylejä, jotka koodaavat kvantti-informaatiota magneettisiksi eli "spin" -tiloiksi.

Tämä uusi alhaalta ylöspäin suuntautuva lähestymistapa voi viime kädessä johtaa kvanttijärjestelmiin, joilla on poikkeuksellista joustavuutta ja hallintaa, mikä auttaa tasoittamaan tietä seuraavan sukupolven kvanttiteknologialle.

"Tämä on todiste tehokkaasta ja skaalautuvasta kvanttiteknologiasta", kertoo Chicagon yliopiston David Awschalom, joka johti tutkimusta Northwesternin kollegansa, professori Danna Freedmanin kanssa.

Tutkijat käyttivät metalliorgaanisia kromimolekyylejä luomaan spintilan, jota he voivat hallita valolla ja mikroaalloilla. Virittämällä molekyylejä tarkoilla laserpulsseilla ja mittaamalla emittoituvaa valoa, he voivat "lukea" molekyylien spintilan superpositiotilan asettamisen jälkeen - keskeinen vaatimus niiden käyttämiselle kvanttitekniikoissa.

Vaihtelemalla vain muutamia erilaisia atomeja näissä molekyyleissä synteettisen kemian avulla he pystyivät myös muuttamaan sekä optisia että magneettisia ominaisuuksia mikä korostaa lupausta räätälöityihin molekyylikubitteihin.

"Viime vuosikymmenien aikana puolijohteiden optisesti osoitettavat spinit ovat osoittautuneet erittäin tehokkaiksi sovelluksille, mukaan lukien kvanttitehostettu tunnistus", sanoo Awschalom. "Näiden järjestelmien fysiikan kääntäminen molekyyliarkkitehtuuriksi avaa tehokkaan synteettisen kemian työkalupaketin, joka mahdollistaa uudenlaisen toiminnallisuuden, jota olemme vasta alkaneet tutkia."

"Alhaalta ylöspäin -lähestymistapamme mahdollistaa sekä yksittäisten yksiköiden toiminnallisuuden ”suunnittelijan kubitteina” kohdesovelluksiin että helposti hallittavien kvanttitilojen ryhmien luomisen, mikä tarjoaa mahdollisuuden skaalautuviin kvanttijärjestelmiin," täsmentää Freeman.

Yksi potentiaalinen sovellus näille molekyyleille voisi olla kvanttianturit, jotka suunnitellaan kohdistumaan tiettyihin molekyyleihin. Tällaiset anturit voivat löytää kehosta tiettyjä soluja, havaita ruoan pilaantumista tai jopa vaarallisia kemikaaleja.

Tämä alhaalta ylöspäin suuntautuva lähestymistapa voisi myös auttaa integroimaan kvanttiteknologioita nykyisiin klassisiin tekniikoihin.

"Jotkut kvanttiteknologian kohtaamista haasteista voidaan ehkä voittaa tällä hyvin erilaisella alhaalta ylöspäin suuntautuvalla lähestymistavalla. Molekyylijärjestelmien käyttö valoa emittoivissa diodeissa oli muunnoksen aikaansaava siirtymä: ehkä jotain samanlaista voi tapahtua molekyylikubittien kanssa," sanoo tutkijatohtori Sam Bayliss

Aiheesta aiemmin: Kubitteja kiertäen ja kaartaen