Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han aumentado su control de las propiedades fundamentales de las moléculas a nivel cuántico al vincular o "enredar" un átomo cargado eléctricamente y una molécula cargada eléctricamente, mostrando una forma de construir híbridossistemas de información cuántica que podrían manipular, almacenar y transmitir diferentes formas de datos.
Descrito en a Naturaleza artículo publicado en línea el 20 de mayo, el nuevo método NIST podría ayudar a construir computadoras y redes cuánticas a gran escala conectando bits cuánticos qubits basados en diseños de hardware y frecuencias operativas incompatibles. Los sistemas cuánticos de plataforma mixta podrían ofrecer versatilidad como la desistemas informáticos convencionales, que, por ejemplo, pueden intercambiar datos entre un procesador electrónico, un disco óptico y un disco duro magnético.
Los experimentos del NIST enredaron con éxito las propiedades de un electrón en el ion atómico con los estados de rotación de la molécula para que las mediciones de una partícula controlaran las propiedades de la otra. La investigación se basa en la demostración del mismo grupo de 2017 de control cuántico deuna molécula, que extendió las técnicas utilizadas durante mucho tiempo para manipular átomos a la arena más complicada y potencialmente más fructífera que ofrecen las moléculas, compuesta de múltiples átomos unidos entre sí.
Las moléculas tienen varios niveles de energía interna, como los átomos, pero también giran y vibran a muchas velocidades y ángulos diferentes. Por lo tanto, las moléculas podrían actuar como mediadores en los sistemas cuánticos al convertir la información cuántica en una amplia gama de frecuencias qubit que van desde unos pocos miles aunos pocos billones de ciclos por segundo. Con la vibración, las moléculas podrían ofrecer frecuencias qubit aún más altas.
"Probamos que el ion atómico y el ion molecular están enredados, y también mostramos que obtienes una amplia selección de frecuencias qubit en la molécula", dijo el físico del NIST James Chin-wen Chou.
Un qubit representa los bits de datos digitales 0 y 1 en términos de dos estados cuánticos diferentes, como los niveles de energía baja y alta en un átomo. Un qubit también puede existir en una "superposición" de ambos estados a la vez.Los investigadores del NIST enredaron dos niveles de energía de un ion atómico de calcio con dos pares diferentes de estados rotacionales de un ion molecular de hidruro de calcio, que es un ion de calcio unido a un átomo de hidrógeno. El qubit molecular tenía una frecuencia de transición: la velocidad de ciclo entredos estados rotacionales: de baja energía a 13.4 kilohercios kHz, miles de ciclos por segundo o alta energía a 855 mil millones de ciclos por segundo gigahercios o GHz.
"Las moléculas proporcionan una selección de frecuencias de transición y podemos elegir entre muchos tipos de moléculas, por lo que es un amplio rango de frecuencias qubit que podemos incorporar a la ciencia de la información cuántica", dijo Chou. "Estamos aprovechando las transiciones encontradas ennaturaleza, por lo que los resultados serán los mismos para todos "
Los experimentos utilizaron una fórmula específica de rayos láser azul e infrarrojo de varias intensidades, orientaciones y secuencias de pulso para enfriar, enredar y medir los estados cuánticos de los iones.
Primero, los investigadores del NIST atraparon y enfriaron los dos iones a sus estados de energía más baja. El par se repelió debido a su proximidad física y cargas eléctricas positivas, y la repulsión actuó como un resorte bloqueando su movimiento. Los pulsos láser agregaron energíaa la rotación de la molécula y creó una superposición de estados rotacionales de baja energía y alta energía, que también desencadenó un movimiento compartido, por lo que los dos iones comenzaron a balancearse o balancearse al unísono, en este caso en direcciones opuestas.
La rotación de la molécula se enredó con su movimiento. Más pulsos láser explotaron el movimiento compartido de los dos iones para inducir el ion atómico en una superposición de niveles de energía bajos y altos. De esta manera, el enredo se transfirió del movimiento para abarcar el movimiento.átomo. Los investigadores determinaron el estado del ion atómico haciendo brillar un láser sobre él y midiendo su fluorescencia, o la cantidad de luz que dispersaba.
Los investigadores del NIST demostraron la técnica con dos conjuntos de propiedades de rotación de la molécula, logrando enredar con éxito el 87% del tiempo con un par de baja energía qubit y el 76% del tiempo con un par de mayor energía.En el caso de la energía, la molécula giraba en dos ángulos ligeramente diferentes, como una parte superior, pero en ambos estados a la vez. En el caso de alta energía, la molécula giraba a dos velocidades simultáneamente, separadas por una gran diferencia de velocidad.
El nuevo trabajo fue posible gracias a las técnicas de lógica cuántica mostradas en el experimento de 2017. Los investigadores aplicaron pulsos de luz láser infrarroja para impulsar el cambio entre dos de más de 100 posibles estados rotacionales de la molécula. Los investigadores sabían que esta transición se produjo porquese añadió una cierta cantidad de energía al movimiento compartido de los dos iones. Los investigadores sabían que los iones estaban enredados en función de las señales de luz emitidas por el ion atómico.
Los nuevos métodos podrían usarse con una amplia gama de iones moleculares compuestos de diferentes elementos, que ofrecen una amplia selección de propiedades qubit.
El enfoque podría conectar diferentes tipos de qubits que operan a diferentes frecuencias, como átomos y sistemas superconductores o partículas de luz, incluidos los componentes de telecomunicaciones y microondas. Además de las aplicaciones en información cuántica, las nuevas técnicas también pueden ser útiles para hacersensores cuánticos o realizar química cuántica mejorada.
La financiación fue proporcionada por la Oficina de Investigación del Ejército.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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