Os físicos do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia aumentaram seu controle das propriedades fundamentais das moléculas no nível quântico ligando ou "enredando" um átomo eletricamente carregado e uma molécula eletricamente carregada, apresentando uma maneira de construir sistemas de informação quântica híbridos que podem manipular, armazenar e transmitir diferentes formas de dados.

Descrito em um Natureza artigo publicado online em 20 de maio, o novo método NIST pode ajudar a construir redes e computadores quânticos em grande escala, conectando bits quânticos (qubits) com base em projetos de hardware e frequências operacionais incompatíveis. Os sistemas quânticos de plataforma mista podem oferecer versatilidade como a dos sistemas de computador convencionais, que, por exemplo, pode trocar dados entre um processador eletrônico, um disco óptico, e um disco rígido magnético.

Os experimentos do NIST entrelaçaram com sucesso as propriedades de um elétron no íon atômico com os estados rotacionais da molécula, de modo que as medições de uma partícula controlariam as propriedades da outra. A pesquisa se baseia na demonstração do mesmo grupo de controle quântico de uma molécula em 2017, que estendeu as técnicas usadas por muito tempo para manipular os átomos para a arena mais complicada e potencialmente mais frutífera oferecida pelas moléculas, composto de vários átomos ligados entre si.

As moléculas têm vários níveis de energia interna, como átomos, mas também giram e vibram em muitas velocidades e ângulos diferentes. As moléculas poderiam, portanto, atuar como mediadores em sistemas quânticos, convertendo informações quânticas em uma ampla gama de frequências qubit que variam de alguns milhares a alguns trilhões de ciclos por segundo. Com vibração, as moléculas podem oferecer frequências qubit ainda mais altas.

"Provamos que o íon atômico e o íon molecular estão entrelaçados, e também mostramos que você obtém uma ampla seleção de frequências de qubit na molécula, "O físico do NIST James (Chin-wen) Chou disse.

Um qubit representa os bits de dados digitais 0 e 1 em termos de dois estados quânticos diferentes, como os níveis de baixa e alta energia em um átomo. Um qubit também pode existir em uma "superposição" de ambos os estados ao mesmo tempo. Os pesquisadores do NIST entrelaçaram dois níveis de energia de um íon atômico de cálcio com dois pares diferentes de estados de rotação de um íon molecular de hidreto de cálcio, que é um íon de cálcio ligado a um átomo de hidrogênio. O qubit molecular tinha uma frequência de transição - a velocidade do ciclo entre dois estados rotacionais - de baixa energia a 13,4 quilohertz (kHz, milhares de ciclos por segundo) ou alta energia a 855 bilhões de ciclos por segundo (gigahertz ou GHz).

"As moléculas fornecem uma seleção de frequências de transição e podemos escolher entre muitos tipos de moléculas, então essa é uma grande variedade de frequências qubit que podemos trazer para a ciência da informação quântica, "Chou disse." Estamos aproveitando as transições encontradas na natureza, então os resultados serão os mesmos para todos. "

Os experimentos usaram uma fórmula específica de feixes de laser azul e infravermelho de várias intensidades, orientações e sequências de pulso para esfriar, emaranhe e meça os estados quânticos dos íons.

Primeiro, os pesquisadores do NIST capturaram e resfriaram os dois íons até seus estados de menor energia. O par se repeliu devido à sua proximidade física e cargas elétricas positivas, e a repulsão agia como uma mola bloqueando seu movimento. Os pulsos de laser adicionaram energia à rotação da molécula e criaram uma superposição de estados rotacionais de baixa e alta energia, que também desencadeou uma moção compartilhada, então os dois íons começaram a balançar ou balançar em uníssono, neste caso, em direções opostas.

A rotação da molécula estava, portanto, emaranhada com seu movimento. Mais pulsos de laser exploraram o movimento compartilhado dos dois íons para induzir o íon atômico a uma superposição de níveis de energia altos e baixos. Desta maneira, o emaranhamento foi transferido do movimento para englobar o átomo. Os pesquisadores determinaram o estado do íon atômico direcionando um laser sobre ele e medindo sua fluorescência, ou quanta luz espalhou.

Os pesquisadores do NIST demonstraram a técnica com dois conjuntos de propriedades rotacionais da molécula, alcançar com sucesso o emaranhamento 87% do tempo com um par de baixa energia (qubit) e 76% das vezes com um par de alta energia. No caso de baixa energia, a molécula girou em dois ângulos ligeiramente diferentes, como um top, mas em ambos os estados ao mesmo tempo. No caso de alta energia, a molécula estava girando em duas velocidades simultaneamente, separados por uma grande diferença na velocidade.

O novo trabalho foi viabilizado pelas técnicas de lógica quântica mostradas no experimento de 2017. Os pesquisadores aplicaram pulsos de luz laser infravermelha para conduzir a comutação entre dois dos mais de 100 possíveis estados de rotação da molécula. Os pesquisadores sabiam que essa transição ocorreu porque uma certa quantidade de energia foi adicionada ao movimento compartilhado dos dois íons. Os pesquisadores sabiam que os íons estavam emaranhados com base nos sinais de luz emitidos pelo íon atômico.

Os novos métodos podem ser usados ​​com uma ampla gama de íons moleculares compostos de diferentes elementos, oferecendo uma ampla seleção de propriedades qubit.

A abordagem poderia conectar diferentes tipos de qubits operando em diferentes frequências, como átomos e sistemas supercondutores ou partículas de luz, incluindo aqueles em telecomunicações e componentes de microondas. Além de aplicações em informações quânticas, as novas técnicas também podem ser úteis na fabricação de sensores quânticos ou na execução de química aprimorada por quantum.