Fisikawan Princeton berhasil menghubungkan molekul tunggal untuk pertama kalinya

Dalam pekerjaan itu bisa menghasilkan lebih bertenaga Statistik kuantitatifPara peneliti dari Universitas Princeton telah berhasil memaksa molekul ke dalam belitan kuantum.

Untuk pertama kalinya, tim fisikawan di Universitas Princeton mampu mengikat partikel individu menjadi satu dalam keadaan “terjerat” khusus dalam mekanika kuantum. Dalam keadaan aneh ini, partikel-partikel tetap terikat satu sama lain, dan dapat berinteraksi secara bersamaan, meskipun jaraknya bermil-mil, atau bahkan jika mereka menempati ujung yang berlawanan di alam semesta. Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Sains.

Keterikatan molekul: sebuah terobosan dalam aplikasi praktis

“Ini adalah terobosan dalam dunia molekul karena pentingnya keterikatan kuantum,” kata Lawrence Cheok, asisten profesor fisika di UCLA. Universitas Princeton dan penulis utama makalah ini. “Tetapi ini juga merupakan terobosan besar dalam penerapan praktis karena molekul yang berikatan silang dapat menjadi landasan bagi banyak penerapan di masa depan.”

Ini termasuk, misalnya, komputer kuantum yang dapat memecahkan masalah tertentu jauh lebih cepat daripada komputer klasik, simulator kuantum yang dapat memodelkan material kompleks yang perilakunya sulit untuk dimodelkan, dan sensor kuantum yang dapat mengukur lebih cepat dibandingkan komputer klasik.

Pengaturan laser untuk mendinginkan, mengontrol, dan menghubungkan molekul individu. Kredit: Richard Soden, Departemen Fisika, Universitas Princeton

“Salah satu motivasi untuk melakukan sains kuantum adalah bahwa dalam dunia praktis ternyata jika Anda memanfaatkan hukum mekanika kuantum, Anda dapat melakukan banyak hal dengan lebih baik,” kata Connor Holland, mahasiswa pascasarjana di Departemen Fisika. . Dan rekan penulis karya tersebut.

Kemampuan perangkat kuantum untuk mengungguli perangkat klasik dikenal sebagai keunggulan kuantum. Inti dari keunggulan kuantum adalah prinsip superposisi dan keterikatan kuantum. Meskipun bit komputer klasik dapat bernilai 0 atau 1, bit kuantum, yang disebut qubit, dapat secara bersamaan berada dalam keadaan superposisi 0 dan 1. Konsep terakhir, keterjeratan, adalah landasan utama mekanika kuantum, dan terjadi ketika dua partikel menjadi sangat dekat satu sama lain, hubungan ini tetap ada, bahkan jika salah satu partikel berjarak beberapa tahun cahaya dari yang lain. Fenomena ini dijelaskan oleh Albert Einstein, yang awalnya meragukan keasliannya, sebagai “aksi hantu dari kejauhan”. Sejak saat itu, para fisikawan telah membuktikan bahwa keterjeratan sebenarnya merupakan deskripsi akurat tentang dunia fisik dan bagaimana realitas disusun.

Tantangan dan kemajuan dalam keterikatan kuantum

“Keterikatan kuantum adalah konsep mendasar, namun juga merupakan elemen kunci yang memberikan keuntungan kuantum,” kata Cheok.

Namun membangun keunggulan kuantum dan mencapai keterikatan kuantum yang terkendali masih merupakan sebuah tantangan, terutama karena para insinyur dan ilmuwan masih belum mengetahui platform fisik mana yang terbaik untuk menciptakan qubit. Dalam beberapa dekade terakhir, banyak teknologi berbeda – seperti ion yang terperangkap, foton, dan sirkuit superkonduktor, dan masih banyak lagi – yang telah dieksplorasi sebagai kandidat untuk komputer dan perangkat kuantum. Sistem kuantum atau platform qubit yang optimal dapat bergantung dengan baik pada aplikasi spesifik.

Namun hingga percobaan ini, molekul telah lama menentang keterikatan kuantum yang dapat dikendalikan. Namun Cheok dan rekan-rekannya telah menemukan cara, melalui manipulasi yang tepat di laboratorium, untuk mengendalikan molekul individu dan membujuk mereka ke dalam keadaan kuantum yang terjerat ini. Mereka juga percaya bahwa molekul memiliki keunggulan tertentu – dibandingkan atom, misalnya – yang membuatnya sangat cocok untuk aplikasi tertentu dalam pemrosesan informasi kuantum dan simulasi kuantum pada material kompleks. Dibandingkan dengan atom, misalnya, molekul memiliki derajat kebebasan kuantum yang lebih besar dan dapat berinteraksi dengan cara-cara baru.

“Artinya, secara praktis, ada cara-cara baru untuk menyimpan dan memproses informasi kuantum,” kata Yukai Lu, seorang mahasiswa pascasarjana di bidang teknik elektro dan komputer dan salah satu penulis makalah tersebut. “Misalnya, sebuah molekul dapat bergetar dan berputar dalam beberapa mode. Jadi, Anda dapat menggunakan dua mode ini untuk mengkodekan sebuah qubit. Jika sebuah molekul Menggolongkan Jika bersifat polar, dua molekul dapat berinteraksi meskipun terpisah secara spasial.

Namun, terbukti sangat sulit mengendalikan molekul di laboratorium karena kerumitannya. Derajat kebebasan yang membuat mereka menarik juga membuat mereka sulit dikendalikan atau beradaptasi di lingkungan laboratorium.

Teknik eksperimental yang inovatif dan prospek masa depan

Cheok dan timnya mengatasi banyak tantangan ini melalui eksperimen yang dipertimbangkan dengan cermat. Mereka pertama-tama memilih spesies molekuler yang bersifat polar dan dapat didinginkan dengan laser. Mereka kemudian mendinginkan molekul dengan laser hingga suhu sangat dingin di mana mekanika kuantum menjadi pusat perhatian. Molekul individu kemudian ditangkap oleh sistem kompleks sinar laser yang sangat terfokus, yang disebut “penjepit optik”. Dengan merekayasa situs penjepit, mereka mampu membuat susunan besar molekul tunggal dan menempatkannya secara individual dalam konfigurasi satu dimensi yang diinginkan. Misalnya, mereka menciptakan pasangan molekul yang terisolasi dan juga rantai molekul yang bebas cacat.

Selanjutnya, mereka mengkodekan qubit dalam keadaan molekul bebas putaran. Mereka mampu menunjukkan bahwa qubit molekuler ini tetap koheren, yaitu mengingat superposisinya. Singkatnya, para peneliti telah menunjukkan kemampuan untuk menciptakan qubit yang koheren dan terkontrol dengan baik dari partikel yang dikontrol secara individual.

Untuk menjerat molekul, mereka harus membuat molekul tersebut berinteraksi. Dengan menggunakan serangkaian gelombang mikro, mereka mampu membuat molekul individu berinteraksi satu sama lain secara koheren. Dengan membiarkan reaksi berlanjut selama jangka waktu tertentu, mereka mampu menerapkan gerbang dua qubit yang menjerat dua molekul. Hal ini penting karena gerbang terjerat dua qubit merupakan blok bangunan mendasar untuk komputasi kuantum digital universal dan simulasi material kompleks.

Potensi penelitian ini untuk mempelajari berbagai bidang ilmu kuantum sangat besar, mengingat fitur-fitur inovatif yang ditawarkan oleh platform baru untuk susunan penjepit molekuler ini. Secara khusus, tim Princeton tertarik untuk mengeksplorasi fisika dari banyak partikel yang berinteraksi, yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sistem banyak benda kuantum di mana perilaku menarik seperti bentuk magnet baru dapat muncul.

“Penggunaan molekul dalam sains kuantum adalah sebuah terobosan baru, dan demonstrasi kami mengenai keterjeratan berdasarkan permintaan merupakan langkah kunci dalam menunjukkan bahwa molekul dapat digunakan sebagai platform yang layak dalam sains kuantum,” kata Cheok.

Dalam artikel terpisah yang diterbitkan dalam edisi yang sama SainsSebuah kelompok penelitian independen yang dipimpin oleh John Doyle dan Kang Kuen Ni di Universitas Harvard dan Wolfgang Ketterle di MIT mencapai hasil serupa.

“Fakta bahwa mereka mendapatkan hasil yang sama menegaskan keandalan hasil kami,” kata Cheok. “Mereka juga menunjukkan bahwa susunan penjepit molekuler menjadi platform baru yang menarik untuk ilmu kuantum.”

Referensi: “Keterikatan molekul sesuai permintaan dalam rangkaian penjepit optik yang dapat dikonfigurasi ulang” oleh Connor M. Holland, Yukai Lu, dan Lawrence W. Cheok, 7 Desember 2023, Sains.
doi: 10.1126/science.adf4272

Pekerjaan ini didukung oleh Universitas Princeton, National Science Foundation (Grant No. 2207518), dan Sloan Foundation (Grant No. FG-2022-19104).