Bemerkenswert ist, dass es einem Team von Physikern der Princeton University gelungen ist, einzelne Moleküle miteinander zu verbinden, um einen besonderen Zustand quantenmechanischer „Verschränkung“ zu erzeugen. In diesen exotischen Zuständen bleiben diese Moleküle miteinander verbunden und können gleichzeitig interagieren, selbst wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind oder sich an gegenüberliegenden Enden des Universums befinden. Die Forschung wurde in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht.


Mitglied des Forschungsteams der Princeton University. Von links nach rechts sind Assistenzprofessor Lawrence Cheuk vom Fachbereich Physik, Yukai Lu, ein Doktorand vom Fachbereich Elektrotechnik, und Connor Holland, ein Doktorand vom Fachbereich Physik. Fotografie: Richard Soden, Fachbereich Physik

„Dies ist ein Durchbruch in der molekularen Welt aufgrund der grundlegenden Bedeutung der Quantenverschränkung“, sagte Lawrence Cheuk, Assistenzprofessor für Physik an der Princeton University und leitender Autor der Arbeit. „Aber es ist auch ein Durchbruch für praktische Anwendungen, da verschränkte Moleküle die Bausteine ​​vieler zukünftiger Anwendungen werden könnten.“

Beispielsweise können diese Computer bestimmte Probleme schneller lösen als herkömmliche Computer, Quantensimulatoren können komplexe Materialien simulieren, deren Verhalten schwer zu modellieren ist, und Quantensensoren können Messungen schneller durchführen als herkömmliche Computer.

„Eine der Motivationen für die Quantenwissenschaft ist, dass sich in der realen Welt herausstellt, dass man in vielen Bereichen bessere Ergebnisse erzielen kann, wenn man die Gesetze der Quantenmechanik nutzt“, sagte Connor Holland, ein Doktorand am Fachbereich Physik.

Die Fähigkeit von Quantengeräten, klassische Geräte zu übertreffen, wird als „Quantenvorteil“ bezeichnet. Im Zentrum des Quantenvorteils stehen die Prinzipien der Superposition und der Quantenverschränkung. Während klassische Computerbits den Wert 0 oder 1 annehmen können, können Quantenbits, sogenannte Qubits, gleichzeitig in einer Überlagerung von 0 und 1 vorliegen.

Das letztgenannte Konzept, die Verschränkung, ist ein wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik. Dies geschieht, wenn zwei Teilchen untrennbar miteinander verbunden sind, sodass die Verbindung auch dann bestehen bleibt, wenn ein Teilchen Lichtjahre vom anderen entfernt ist. Albert Einstein stellte zunächst seine Gültigkeit in Frage und beschrieb das Phänomen als „unheimliches Verhalten aus der Ferne“. Seitdem haben Physiker gezeigt, dass Verschränkung tatsächlich eine genaue Beschreibung der physischen Welt und der Struktur der Realität ist.

„Quantenverschränkung ist ein grundlegendes Konzept“, sagte Cheuk, „aber sie ist auch ein Schlüsselfaktor für den Quantenvorteil.“

Doch Quantenvorteile zu etablieren und eine kontrollierbare Quantenverschränkung zu erreichen, bleibt eine Herausforderung, nicht zuletzt, weil Ingenieure und Wissenschaftler immer noch nicht wissen, welche physikalische Plattform am besten für die Erzeugung von Qubits geeignet ist. In den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Technologien – wie eingefangene Ionen, Photonen, supraleitende Schaltkreise und mehr – als Kandidaten für Quantencomputer und -geräte erforscht. Das optimale Quantensystem oder die optimale Qubit-Plattform wird wahrscheinlich von der spezifischen Anwendung abhängen.

Bis zu diesem Experiment hatten sich Moleküle jedoch lange Zeit einer kontrollierbaren Quantenverschränkung widersetzt. Doch Cheuk und seine Kollegen fanden einen Weg, einzelne Moleküle zu kontrollieren und sie durch sorgfältige Manipulation im Labor in diese ineinandergreifenden Quantenzustände zu locken. Sie glauben auch, dass Moleküle bestimmte Vorteile haben, beispielsweise gegenüber Atomen, die sie für bestimmte Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulationen komplexer Materialien besonders geeignet machen. Beispielsweise haben Moleküle mehr Quantenfreiheitsgrade als Atome und können auf neue Weise interagieren.

„In der Praxis bedeutet dies, dass es neue Möglichkeiten gibt, Quanteninformationen zu speichern und zu verarbeiten“, sagte Yukai Lu, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik und Mitautor der Arbeit. „Zum Beispiel kann ein Molekül in mehreren Modi schwingen und rotieren. Man kann also ein Qubit mit zwei dieser Modi kodieren. Wenn die Molekülspezies polar sind, können zwei Moleküle auch dann interagieren, wenn sie räumlich getrennt sind.“

Dennoch erwiesen sich die Moleküle aufgrund ihrer Komplexität als schwierig im Labor zu kontrollieren. Die Freiheit, die sie attraktiv macht, macht es auch schwierig, sie in Laborumgebungen zu kontrollieren oder einzuzäunen. Cheuk und sein Team gingen viele dieser Herausforderungen mit einem durchdachten Experiment an, bei dem eine komplexe experimentelle Plattform namens „Pinzettenanordnung“ zum Einsatz kam, bei der einzelne Moleküle von einem komplexen System aus eng fokussierten Laserstrahlen, sogenannten „optischen Pinzetten“, aufgenommen werden.

„Die Verwendung von Molekülen für die Quantenwissenschaft ist eine neue Grenze, und unsere Demonstration der On-Demand-Verschränkung ist ein entscheidender Schritt, um zu zeigen, dass Moleküle als brauchbare Plattformen für die Quantenwissenschaft verwendet werden können“, sagte Cheuk.

In einem anderen Artikel, der in derselben Ausgabe von Science veröffentlicht wurde, kam ein unabhängiges Forschungsteam unter der Leitung von John Doyle und Kang-Kuen Ni von der Harvard University und Wolfgang Ketterle vom MIT zu ähnlichen Ergebnissen.

„Die Tatsache, dass sie die gleichen Ergebnisse erzielten, bestätigt die Zuverlässigkeit unserer Ergebnisse“, sagte Cheuk. „Sie zeigen auch, dass molekulare Pinzetten-Arrays sich zu einer aufregenden neuen Plattform für die Quantenwissenschaft entwickeln.“

„On-Demand Entanglement of Moleculesina Reconfigurable Optical Tweezer Array“, gemeinsam verfasst von Connor M. Holland, Yukai Lu und Lawrence W. Cheuk, wurde am 8. Dezember 2023 in Science veröffentlicht (DOI: 10.1126/science.adf4272). Diese Arbeit wurde von der Princeton University, der National Science Foundation (2207518) und der Sloan Foundation (FG-2022-19104) unterstützt.