Uusi reitti suuriin, järjestäytyneisiin matriiseihin kvanttiteknologiassa

Molekyylit voisivat tarjota tehokkaita rakenneosia kvanttiteknologioille, mutta tuhansien sellaisten järjestäminen tarkasti ohjattuihin matriiseihin on suuri haaste.

Radboudin yliopiston, Columbian yliopiston (USA) ja Chicagon yliopiston (USA) tutkijat esittelevät uuden tavan sijoittaa yksittäisiä molekyylejä optisten pinsettien matriiseihin.

Ultrakylmät molekyylit ovat lupaavia järjestelmiä kvantti-informaation käsittelyyn. Niiden rotaatio- ja ydinspinen -tilat voivat toimia poikkeuksellisen koherentteina kvanttibitteinä eli kubitteina. Molekyylit ovat myös vuorovaikutuksessa keskenään dipolimomenttiensa kautta, mikä tarjoaa keinon toteuttaa kvanttioperaatioita.

Yksittäisten molekyylejä hallitaan optisilla pinseteillä. Hyödyllisen kvantti-informaation käsittelyn kannalta molekyylejä hallitsevia pinsettejä on kuitenkin oltavat tuhansia. Tämä on vaikeaa, koska pinseteillä on tyypillisesti hallinnassaan yksi molekyyli vain noin puolet ajasta. Ja tyhjät loukut vaikeuttavat suurten, hyvin järjestettyjen matriisien rakentamista.

Tutkijat ratkaisevat tämän haasteen käyttämällä mikroaalloilla toteutettua suojausta. Kokeissa mikroaallot luovat hylkiviä vuorovaikutuksia molekyylien välille, suojaten niitä törmäyksiltä toistensa kanssa. Tämä mahdollistaa molekyylien jäähdyttämisen erittäin alhaisiin lämpötiloihin – nanokelvinien alueelle – ja tarjoaa erittäin kylmän molekyylikaasun, josta optiset pinsetit voidaan ladata molekyyleillä.

Kokeissa käytettyjen erittäin polaaristen molekyylien (kuten natrium-cesiummolekyylien) kohdalla mikroaaltojen aiheuttama hylkivä "suoja" voi ulottua sadoista nanometreistä noin mikrometriin. Ratkaisevasti tämä voi olla suurempi kuin optisen pinsetin koko.

Tulos on samanlainen kuin munien laittaminen munakoteloon. Samalla tavalla molekyylisuoja estää kahta molekyyliä täyttämästä samaa optista pinsettiä. Tämä tekee lataamisesta determinististä; jokainen pinsetti voidaan täyttää täsmälleen yhdellä molekyylillä sen sijaan, että sen täyttämisen todennäköisyys olisi vain 50 %.

Ympäröivä erittäin kylmä molekyylikaasu voi sitten tarjota lämpökontaktin, joka jäähdyttää loukkuun jääneitä molekyylejä kohti loukkujen perustilaa. Tuloksena on erittäin järjestäytynyt, matalan entropian omaava molekyyliryhmä, joka voi sisältää tuhansia yksittäin loukkuun jääneitä molekyylejä ja on valmis kvantti-informaation käsittelyyn.

Tällaiset järjestäytyneet molekyyliryhmät voisivat tarjota perustan molekyylien kvanttibitteinä tehtävien kokeiden skaalaamiselle.

Viikkoa myöhemmin tutkijat kertoivat kehittäneensä entistä vakaampaa kvanttikaasua, joka sitten antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia elektronien kvanttikäyttäytymistä todellisissa materiaaleissa

Uusi menettely mahdollistaa stabiilien kvanttinesteiden toteuttamisen, joissa vuorovaikutusalue on suurempi kuin molekyylien välinen keskimääräinen etäisyys. Tällaiset järjestelmät tarjoavat alustan voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevan kvanttiaineen tutkimiseen, mitä on vaikea saavuttaa atomikaasuilla."

Aiheesta aiemmin:

Testata satoja kubitteja kerrallaan