Los físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología han aumentado su control de las propiedades fundamentales de las moléculas a nivel cuántico al vincular o "entrelazar" un átomo cargado eléctricamente y una molécula cargada eléctricamente, mostrando una forma de construir sistemas híbridos de información cuántica que podrían manipular, almacenar y transmitir diferentes formas de datos.

Descrito en un Naturaleza artículo publicado en línea el 20 de mayo de El nuevo método NIST podría ayudar a construir redes y computadoras cuánticas a gran escala conectando bits cuánticos (qubits) basados ​​en diseños de hardware y frecuencias operativas que de otro modo serían incompatibles. Los sistemas cuánticos de plataforma mixta podrían ofrecer una versatilidad como la de los sistemas informáticos convencionales, cuales, por ejemplo, puede intercambiar datos entre un procesador electrónico, un disco óptico, y un disco duro magnético.

Los experimentos del NIST entrelazaron con éxito las propiedades de un electrón en el ion atómico con los estados rotacionales de la molécula, de modo que las mediciones de una partícula controlarían las propiedades de la otra. La investigación se basa en la demostración del mismo grupo de 2017 del control cuántico de una 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, compuesto por múltiples átomos unidos entre sí.

Las moléculas tienen varios niveles de energía internos, como átomos, pero también rotan y vibran a muchas velocidades y ángulos diferentes. Por lo tanto, las moléculas podrían actuar como mediadores en sistemas cuánticos al convertir información cuántica en una amplia gama de frecuencias de qubit que van desde unos pocos miles hasta unos pocos billones de ciclos por segundo. Con vibración, las moléculas podrían ofrecer frecuencias de qubits aún más altas.

"Demostramos que el ion atómico y el ion molecular están entrelazados, y también mostramos que obtienes una amplia selección de frecuencias de 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 alta y baja energía 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 calcio unido a un átomo de hidrógeno. El qubit molecular tenía una frecuencia de transición (la velocidad del ciclo entre dos estados de rotación) 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 una amplia gama de frecuencias de qubit que podemos incorporar a la ciencia de la información cuántica, ", Dijo Chou." Estamos aprovechando las transiciones que se encuentran en la naturaleza para que los resultados sean los mismos para todos ".

Los experimentos utilizaron una fórmula específica de rayos láser azules e infrarrojos de varias intensidades, orientaciones y secuencias de pulsos para enfriar, entrelazar y medir los estados cuánticos de los iones.

Primero, los investigadores del NIST atraparon y enfriaron los dos iones a sus estados de menor energía. La pareja se repelió debido a su proximidad física y cargas eléctricas positivas, y la repulsión actuó como un resorte que bloquea su movimiento. Los pulsos de láser agregaron energía a la rotación de la molécula y crearon una superposición de estados de rotación de baja y alta energía, que también desencadenó un movimiento compartido, así que los dos iones comenzaron a balancearse o balancearse al unísono, en este caso en direcciones opuestas.

La rotación de la molécula se entrelazó así con su movimiento. Más pulsos de láser explotaron el movimiento compartido de los dos iones para inducir al ion atómico a una superposición de niveles de energía altos y bajos. De este modo, el entrelazamiento se transfirió del movimiento para abarcar el átomo. Los investigadores determinaron el estado del ion atómico al iluminarlo con un láser y medir su fluorescencia. o cuánta luz esparció.

Los investigadores del NIST demostraron la técnica con dos conjuntos de propiedades rotacionales de la molécula, logrando con éxito el entrelazamiento 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 baja energía, la molécula rota en dos ángulos ligeramente diferentes, como un trompo, pero en ambos estados a la vez. En el caso de alta energía, la molécula giraba a dos velocidades simultáneamente, separados 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 de rotación de la molécula. Los investigadores sabían que esta transición ocurrió porque se agregó 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 por diferentes elementos, ofreciendo 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 ligeras, incluidos los de telecomunicaciones y componentes de microondas. Además de las aplicaciones en información cuántica, las nuevas técnicas también pueden ser útiles para fabricar sensores cuánticos o realizar química cuántica mejorada.