8 دسامبر 2023-درهمتنیدگی کوانتومی-© shutterstock/CI Photos
محققان پرینستون برای اولین بار موفق شدند مولکول ها را وادار به درهم تنیدگی کوانتومی کنند.مولکول‌های منفرد به حالت‌های خاصی از درهمتنیدگی کوانتومی وادار شده‌اند، جایی که می‌توانند با یکدیگر همبستگی باقی بمانند، حتی اگر انتهای مخالف کیهان را اشغال کنند.
لارنس چوک، استادیار فیزیک در دانشگاه پرینستون و نویسنده ارشد مقاله می گوید: «این یک پیشرفت در دنیای مولکول ها به دلیل اهمیت اساسی درهم تنیدگی کوانتومی است.اما همچنین یک پیشرفت برای کاربردهای عملی است زیرا مولکول های درهم تنیده می توانند بلوک های ساختمانی برای بسیاری از کاربردهای آینده باشند.تحقیق «درهم تنیدگی مولکول‌ها در یک آرایه موچین نوری قابل تنظیم مجدد» اخیراً در مجله Science منتشر شده است.
کاربردهای مولکول های درهم تنیده
کاربردهای مولکول هایی که درهم تنیدگی کوانتومی را پشت سر گذاشته اند شامل رایانه های کوانتومی است که می توانند مشکلات خاصی را سریعتر از رایانه های معمولی حل کنند.
این مولکول‌ها همچنین می‌توانند برای شبیه‌سازهای کوانتومی که می‌توانند مواد پیچیده‌ای را که مدل‌سازی رفتار آنها دشوار است، مدل‌سازی کنند و حسگرهای کوانتومی که می‌توانند سریعتر از همتایان سنتی خود اندازه‌گیری کنند، استفاده شوند.
کانر هالند، دانشجوی فارغ التحصیل دپارتمان فیزیک و یکی از نویسندگان این اثر، گفت: «یکی از انگیزه‌های انجام علم کوانتومی این است که در دنیای عملی، معلوم می‌شود که اگر از قوانین مکانیک کوانتومی استفاده کنید، شما می توانید در بسیاری از زمینه ها خیلی بهتر عمل کنید.”
درهم تنیدگی کوانتومی چیست؟
مزیت کوانتومی توانایی دستگاه های کوانتومی در عملکرد بهتر از دستگاه های کلاسیک است. در هسته مزیت کوانتومی، اصول برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی قرار دارند.یک کامپیوتر کلاسیک می تواند مقدار 0 یا 1 را در نظر بگیرد، در حالی که کیوبیت ها می توانند در برهم نهی 0 و 1 باشند.
درهم تنیدگی کوانتومی سنگ بنای اصلی مکانیک کوانتومی است و زمانی اتفاق می‌افتد که دو ذره آنقدر به هم متصل می‌شوند که حتی اگر یک ذره سال نوری از دیگری فاصله داشته باشد، باقی می‌ماند.درهم تنیدگی توصیف دقیقی از جهان فیزیکی و چگونگی ساختار واقعیت است.
چوک گفت: «درهم تنیدگی کوانتومی یک مفهوم اساسی است، اما همچنین عنصر کلیدی است که مزیت کوانتومی را به ارمغان می‌آورد».
ایجاد مزیت کوانتومی و دستیابی به درهم تنیدگی کوانتومی قابل کنترل چالش برانگیز است زیرا دانشمندان نمی دانند کدام پلت فرم فیزیکی برای ایجاد کیوبیت ها بهترین است.پیش از این، بسیاری از فناوری‌های مختلف به عنوان نامزد رایانه‌ها و دستگاه‌های کوانتومی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. سیستم کوانتومی بهینه می تواند به کاربرد خاص بستگی داشته باشد.با این حال، مولکول‌ها تا کنون مدت‌هاست که از درهم تنیدگی کوانتومی قابل کنترل سرپیچی کرده‌اند.
مزایای مولکول ها در مقایسه با اتم ها
تیم دانشگاه پرینستون، مولکول‌های فردی را برای کنترل و جذب آنها به حالت‌های کوانتومی به هم پیوسته دستکاری کردند. آنها معتقدند که مولکول ها نسبت به اتم ها دارای مزایایی هستند که آنها را برای کاربردهای خاص در پردازش اطلاعات کوانتومی و شبیه سازی مواد پیچیده مناسب تر می کند.در مقایسه با اتم‌ها، مولکول‌ها درجات آزادی کوانتومی بیشتری دارند و می‌توانند به روش‌های جدید برهمکنش کنند.
یوکای لو، دانشجوی فارغ التحصیل رشته مهندسی برق و کامپیوتر و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «از نظر عملی این به معنای این است که روش‌های جدیدی برای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی وجود دارد.
به عنوان مثال، یک مولکول می تواند در حالت های مختلف ارتعاش و چرخش داشته باشد. بنابراین، می توانید از دو مورد از این حالت ها برای رمزگذاری یک کیوبیت استفاده کنید. اگر گونه مولکولی قطبی باشد، دو مولکول می توانند حتی زمانی که از نظر مکانی از هم جدا شوند، برهم کنش داشته باشند.
با این حال، با وجود مزایایی که دارند، کنترل مولکول‌ها در آزمایشگاه سخت است زیرا پیچیده هستند. درجات آزادی جذاب آنها نیز کنترل آنها را در محیط های آزمایشگاهی سخت می کند.
ابتدا، تیم یک گونه مولکولی را انتخاب کرد که هم قطبی است و هم می تواند با لیزر خنک شود. مولکول ها تا دمای فوق سرد خنک شدند که مکانیک کوانتومی می تواند رخ دهد. سپس مولکول‌های منفرد توسط یک سیستم پیچیده از پرتوهای لیزر متمرکز به نام موچین نوری انتخاب شدند.
از طریق مهندسی این موچین‌ها، تیم آرایه‌های بزرگی از مولکول‌های منفرد را ایجاد کرد تا آنها را در یک پیکربندی یک بعدی قرار دهد.
سپس یک کیوبیت را در حالت غیر چرخشی و چرخشی مولکول کدگذاری کردند. نشان داده شد که این کیوبیت مولکولی منسجم باقی می‌ماند – با یادآوری برهم نهی آن. بنابراین، تیم نشان داد که می‌توانند کیوبیت‌های کنترل‌شده و منسجمی را از مولکول‌های کنترل‌شده جداگانه ایجاد کنند.
برای فعال کردن درهمتنیدگی کوانتومی مولکولی، تیم اطمینان حاصل کرد که مولکول‌ها می‌توانند با استفاده از یک سری پالس‌های مایکروویو برهمکنش داشته باشند. با اجازه دادن به این تعامل برای مقدار دقیق
در هر زمان، تیم توانست یک دروازه دو کیوبیتی را که دو مولکول را در هم می‌پیچد، پیاده‌سازی کند. این مهم است زیرا چنین دروازه دو کیوبیتی یک بلوک ساختمانی برای محاسبات کوانتومی جهانی و شبیه سازی مواد پیچیده است.
پتانسیل برای پیشرفت های جدید در علم کوانتوم
این تحقیق به بررسی حوزه های مختلف علوم کوانتومی کمک خواهد کرد. این تیم به‌ویژه به کاوش در فیزیک مولکول‌های متقابل علاقه‌مند است که می‌توانند برای شبیه‌سازی سیستم‌های چند جسمی کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند، جایی که رفتارهای نوظهور جالبی مانند اشکال جدید مغناطیس می‌تواند ظاهر شود.
وی گفت: «استفاده از مولکول‌ها برای علم کوانتومی مرز جدیدی است و نشان دادن درهمتنیدگی درخواستی ما گامی کلیدی در نشان دادن این موضوع است که مولکول‌ها می‌توانند به‌عنوان یک پلت فرم مناسب برای علوم کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند.»
در مقاله جداگانه ای که در مجله Science منتشر شده است، یک گروه تحقیقاتی مستقل دستیابی به نتایج مشابه را گزارش کرده است.
چوک نتیجه گرفت: «این واقعیت که آنها نتایج یکسانی گرفتند، قابل اعتماد بودن نتایج ما را تأیید می کند.
آنها همچنین نشان می دهند که آرایه های موچین مولکولی در حال تبدیل شدن به یک پلت فرم جدید هیجان انگیز برای علوم کوانتومی هستند.
