Por primera vez, un equipo de físicos de Princeton ha podido unir moléculas individuales en estados especiales que están "entrelazados" mecánicamente cuánticamente. En estos extraños estados, las moléculas permanecen correlacionadas entre sí (y pueden interactuar simultáneamente) incluso si están a kilómetros de distancia, o incluso si ocupan extremos opuestos del universo. Esta investigación fue publicada recientemente en la revista Science. .

"Este es un gran avance en el mundo de las moléculas debido a la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico", dijo Lawrence Cheuk, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton y autor principal del artículo. "Pero también supone un gran avance para las aplicaciones prácticas, porque las moléculas entrelazadas pueden ser los componentes básicos de muchas aplicaciones futuras".

Entre ellos se incluyen, por ejemplo, ordenadores cuánticos que pueden resolver ciertos problemas mucho más rápido que los ordenadores convencionales, simuladores cuánticos que pueden modelar materiales complejos cuyo comportamiento es difícil de modelar y sensores cuánticos que pueden medir más rápido que sus homólogos tradicionales.

"Una de las motivaciones para hacer ciencia cuántica es que, en el mundo práctico, resulta que si se aprovechan las leyes de la mecánica cuántica, se puede hacerlo mucho mejor en muchas áreas", dijo Connor Holland, estudiante de posgrado en física. departamento y coautor del trabajo.

La capacidad de los dispositivos cuánticos para superar a los clásicos se conoce como "ventaja cuántica". Y en el núcleo de la ventaja cuántica se encuentran los principios de superposición y entrelazamiento cuántico. Mientras que un bit de computadora clásico puede asumir el valor 0 o 1, los bits cuánticos, llamados qubits, pueden estar simultáneamente en una superposición de 0 y 1.

El último concepto, el entrelazamiento, es una piedra angular importante de la mecánica cuántica y ocurre cuando dos partículas se unen indisolublemente entre sí de modo que este vínculo persiste, incluso si una partícula está a años luz de la otra. Es el fenómeno que Albert Einstein, que en un principio cuestionó su validez, describió como "acción espeluznante a distancia".

Desde entonces, los físicos han demostrado que el entrelazamiento es, de hecho, una descripción precisa del mundo físico y de cómo está estructurada la realidad.

"El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental", afirmó Cheuk, "pero también es el ingrediente clave que otorga la ventaja cuántica".

Pero desarrollar una ventaja cuántica y lograr un entrelazamiento cuántico controlable sigue siendo un desafío, sobre todo porque los ingenieros y científicos aún no tienen claro qué plataforma física es mejor para crear qubits.

En las últimas décadas, se han explorado muchas tecnologías diferentes (como iones atrapados, fotones y circuitos superconductores, por nombrar sólo algunas) como candidatas para computadoras y dispositivos cuánticos. El sistema cuántico o la plataforma qubit óptimos podrían depender de la aplicación específica.

Sin embargo, hasta este experimento, las moléculas habían desafiado durante mucho tiempo el entrelazamiento cuántico controlable. Pero Cheuk y sus colegas encontraron una manera, mediante una manipulación cuidadosa en el laboratorio, de controlar moléculas individuales y llevarlas a estos estados cuánticos entrelazados.

También creían que las moléculas tienen ciertas ventajas (sobre los átomos, por ejemplo) que las hacían especialmente adecuadas para ciertas aplicaciones en el procesamiento de información cuántica y la simulación cuántica de materiales complejos. En comparación con los átomos, por ejemplo, las moléculas tienen más grados de libertad cuánticos y pueden interactuar de nuevas maneras.

"Lo que esto significa, en términos prácticos, es que existen nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica", afirmó Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y coautor del artículo. "Por ejemplo, una molécula puede vibrar y rotar en múltiples modos. Entonces, puedes usar dos de estos modos para codificar un qubit. Si la especie molecular es polar, dos moléculas pueden interactuar incluso cuando están separadas espacialmente".

Sin embargo, las moléculas han resultado muy difíciles de controlar en el laboratorio debido a su complejidad. Los mismos grados de libertad que los hacen atractivos también los hacen difíciles de controlar o acorralar en entornos de laboratorio.

Cheuk y su equipo abordaron muchos de estos desafíos mediante un experimento cuidadosamente pensado. Primero eligieron una especie molecular que es polar y puede enfriarse con láseres. Luego enfriaron las moléculas con láser a temperaturas ultrafrías, donde la mecánica cuántica ocupa un lugar central.

Luego, las moléculas individuales fueron captadas por un complejo sistema de rayos láser estrechamente enfocados, las llamadas "pinzas ópticas". Al diseñar las posiciones de las pinzas, pudieron crear grandes conjuntos de moléculas individuales y colocarlas individualmente en cualquier configuración unidimensional deseada. Por ejemplo, crearon pares aislados de moléculas y cadenas de moléculas libres de defectos.

A continuación, codificaron un qubit en un estado de molécula giratorio y no giratorio. Pudieron demostrar que este qubit molecular seguía siendo coherente; es decir, recordó su superposición. En resumen, los investigadores demostraron la capacidad de crear qubits coherentes y bien controlados a partir de moléculas controladas individualmente.

Para entrelazar las moléculas, tuvieron que hacer que la molécula interactuara. Utilizando una serie de pulsos de microondas, pudieron hacer que moléculas individuales interactuaran entre sí de forma coherente.

Al permitir que la interacción se produjera durante un período de tiempo preciso, pudieron implementar una puerta de dos qubits que entrelazó dos moléculas. Esto es importante porque una puerta de dos qubits tan entrelazada es un componente básico tanto para la computación cuántica digital universal como para la simulación de materiales complejos.

El potencial de esta investigación para investigar diferentes áreas de la ciencia cuántica es grande, dadas las características innovadoras que ofrece esta nueva plataforma de matrices de pinzas moleculares. En particular, el equipo de Princeton está interesado en explorar la física de muchas moléculas que interactúan, que pueden usarse para simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos donde pueden aparecer comportamientos emergentes interesantes, como nuevas formas de magnetismo.

"El uso de moléculas para la ciencia cuántica es una nueva frontera, y nuestra demostración del entrelazamiento bajo demanda es un paso clave para demostrar que las moléculas pueden usarse como una plataforma viable para la ciencia cuántica", afirmó Cheuk.

En un artículo separado publicado en el mismo número de Science , un grupo de investigación independiente dirigido por John Doyle y Kang-Kuen Ni de la Universidad de Harvard y Wolfgang Ketterle del Instituto Tecnológico de Massachusetts logró resultados similares.

"El hecho de que obtuvieran los mismos resultados verifica la confiabilidad de nuestros resultados", dijo Cheuk. "También muestran que los conjuntos de pinzas moleculares se están convirtiendo en una nueva e interesante plataforma para la ciencia cuántica".

Más información: Connor M. Holland et al, Entrelazamiento de moléculas bajo demanda en una matriz de pinzas ópticas reconfigurables, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.adf4272. www.science.org/doi/10.1126/science.adf4272

Yicheng Bao et al, Intercambio de espín dipolar y entrelazamiento entre moléculas en una matriz de pinzas ópticas, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.adf8999. www.science.org/doi/10.1126/science.adf8999

Augusto Smerzi et al, Entrelazamiento con moléculas pinzadas, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.adl4179. www.science.org/doi/10.1126/science.adl4179

Información de la revista: Ciencia

Proporcionado por la Universidad de Princeton