Molekyylien ydinspinien optinen hallinta

Karlsruhen teknillisen korkeakoulun (KIT) tutkimusryhmä on saavuttanut merkittävän läpimurron kvanttifysiikassa ja materiaalitieteessä: Ensimmäistä kertaa molekyylimateriaalin ydinspinit on optisesti alustettu, ohjattu ja luettu.

Ydinspineillä on heikko vuorovaikutus ympäristönsä kanssa ja siksi niitä pidetään erityisen stabiileina kvantti-informaation kantajina.

Tulokset osoittavat, että molekyylin ydinspinit voisivat olla lupaava rakenneosa tulevaisuuden kvanttiteknologioille.

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) on vakiintunut analyyttinen menetelmä materiaalien ja molekyylien tutkimiseen. Sen sovellukset vaihtelevat kemiallisesta analyysistä kvantti-informaation käsittelyyn.

Äskettäisessä tutkimuksessaan KIT:n tutkijat tutkivat europiumioneja sisältävää molekyylikidettä. Näillä ioneilla on erityisen kapeat optiset siirtymät, jotka mahdollistavat suoran pääsyn ydinspinien tiloihin. Laservalon avulla he pystyivät ensin muuntamaan ydinspinit määriteltyihin tiloihin ja lukemaan ne sitten optisesti.

Optisen osoituksen lisäksi tutkijat käyttivät korkeataajuisia kenttiä spinien ohjaamiseen ja niiden suojaamiseen häiritseviltä ympäristövaikutuksilta. Näin he saavuttivat ydinspinin kvanttikoherenssin, jonka elinikä oli jopa kaksi millisekuntia – aikaväli, jonka aikana kvanttijärjestelmä ylläpitää tarkasti määriteltyä kvanttimekaanista tilaa.

”Tulokset osoittavat, että molekyylimateriaalit voivat olla lupaava alusta tulevaisuuden kvanttilaitteille”, sanoo professori David Hunger KIT:n fysiikan laitokselta. ”Erityinen etu on, että voimme käsitellä ydinspinejä tässä häiritsemättä elektronien spinejä. Tämä mahdollistaa meille erityisen stabiilien ja tiheästi pakattujen kubittirekisterien toteuttamisen tulevaisuudessa.”

Pitkällä aikavälillä molekyylien optisesti ohjattavat ydinspinit avaavat uusia näkökulmia skaalautuvien kvanttitietokoneiden kehitykselle. Molekyylijärjestelmiä voidaan räätälöidä kemiallisesti, mikä voi mahdollistaa atomitason tarkkuudella varustettujen kubittien valmistamisen.

Tutkimustulokset korostavat siten molekyylijärjestelmien suurta potentiaalia tulevaisuuden kvanttiteknologioille ja tarjoavat tärkeän askeleen kohti optisesti verkotettavia kvanttiprosessointijärjestelmiä.

Aiheesta aiemmin:

Metalli-metalli-sidosmolekyyli avaa uuden tien kvanttilaskentamateriaaleille

Molekyylikubitit voivat kommunikoida teletaajuuksilla

Fyysikot kvanttilomittavat yksittäisiä molekyylejä