Einem Team von Physikern der Princeton University ist durch die Verschränkung einzelner Moleküle ein Durchbruch in der Quantenmechanik gelungen. Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten für Quantencomputing, Simulation und Sensorik. Der innovative Einsatz optischer Pinzetten zur Steuerung von Molekülen durch das Team überwand frühere Probleme bei der Quantenverschränkung und markierte einen großen Fortschritt auf diesem Gebiet.

In einer Arbeit, die zu leistungsfähigerem Quantencomputing führen könnte, haben Forscher der Princeton University erfolgreich Moleküle in eine Quantenverschränkung gezwungen.

Einem Forschungsteam aus Physikern der Princeton University ist es erstmals gelungen, einzelne Moleküle miteinander zu verbinden und sie so in den besonderen Zustand der quantenmechanischen „Verschränkung“ zu bringen. In diesen bizarren Zuständen bleiben Moleküle miteinander verbunden und interagieren gleichzeitig, selbst wenn sie Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind oder sich sogar an gegenüberliegenden Enden des Universums befinden. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Molekulare Verschränkung: Ein Durchbruch für praktische Anwendungen

Lawrence Cheuk, Assistenzprofessor für Physik an der Princeton University und leitender Autor des Artikels, sagte: „Dies ist ein Durchbruch in der molekularen Welt, weil die Quantenverschränkung von grundlegender Bedeutung ist. Aber es ist auch ein Durchbruch für praktische Anwendungen, weil verschränkte Moleküle die Bausteine ​​vieler zukünftiger Anwendungen werden können.“

Zu diesen Anwendungen gehören beispielsweise: Quantencomputer, die bestimmte Probleme schneller lösen können als herkömmliche Computer; Quantensimulatoren, die komplexe Materialien modellieren können, deren Verhalten schwer zu modellieren ist; und Quantensensoren, die Messungen schneller durchführen können als herkömmliche Sensoren.

Lasergeräte zur Kühlung, Steuerung und Verschränkung einzelner Moleküle. Quelle: Richard Soden, Fachbereich Physik, Princeton University

Connor Holland, ein Doktorand am Fachbereich Physik und einer der Mitautoren der Studie, sagte: „Eine der Motivationen für das Studium der Quantenwissenschaften ist, dass man in der praktischen Anwendung in vielen Bereichen bessere Ergebnisse erzielen kann, wenn man die Gesetze der Quantenmechanik nutzen kann.“

Die Fähigkeit von Quantengeräten, klassische Geräte zu übertreffen, wird als „Quantenvorteil“ bezeichnet. Im Zentrum des Quantenvorteils stehen die Prinzipien der Superposition und der Quantenverschränkung. Quantenverschränkung, ein wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik, entsteht, wenn zwei Teilchen untrennbar miteinander verbunden sind, eine Verbindung, die auch dann bestehen bleibt, wenn eines der Teilchen Lichtjahre vom anderen entfernt ist. Albert Einstein stellte zunächst die Gültigkeit dieses Phänomens in Frage und beschrieb es als „gruselige Fernwirkung“. Seitdem haben Physiker gezeigt, dass Verschränkung tatsächlich eine genaue Beschreibung der physischen Welt und der Struktur der Realität ist.

Herausforderungen und Fortschritte der Quantenverschränkung

„Quantenverschränkung ist ein grundlegendes Konzept“, sagte Zhuo, „aber sie ist auch das Schlüsselelement, das Quantenvorteile verschafft.“

Die Schaffung eines Quantenvorteils und das Erreichen einer kontrollierbaren Quantenverschränkung bleiben jedoch eine Herausforderung, vor allem 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 usw. als Kandidaten für Quantencomputer und -geräte erforscht. Das beste Quantensystem bzw. die beste Qubit-Plattform hängt ganz von der konkreten Anwendung ab.

Bis zu diesem Experiment war eine kontrollierbare Quantenverschränkung von Molekülen jedoch schwer zu erreichen. Doch Zhuo und seine Kollegen fanden einen Weg, einzelne Moleküle zu kontrollieren und sie durch sorgfältige Manipulationen im Labor in diese verschachtelten Quantenzustände zu locken. Sie glauben auch, dass Moleküle bestimmte Vorteile gegenüber Atomen haben und sich für bestimmte Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulationen komplexer Materialien besonders eignen. Beispielsweise haben Moleküle mehr Quantenfreiheitsgrade als Atome und können auf neue Weise interagieren.

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

Dennoch hat sich die Kontrolle von Molekülen im Labor aufgrund ihrer Komplexität als notorisch schwierig erwiesen. Die Freiheitsgrade, die Moleküle attraktiv machen, machen es auch schwierig, sie in Laborumgebungen zu kontrollieren oder zu kontrollieren.

Innovative experimentelle Technologie und Zukunftsaussichten

Cheuk und sein Team lösten viele dieser Rätsel durch sorgfältig geplante Experimente. Sie wählten zunächst eine molekulare Spezies aus, die sowohl polar war als auch mit einem Laser gekühlt werden konnte. Anschließend kühlten sie die Moleküle mithilfe von Lasern auf ultrakalte Temperaturen ab, wobei die Quantenmechanik im Mittelpunkt steht. Die einzelnen Moleküle werden dann von einem komplexen System eng fokussierter Laserstrahlen – sogenannten „optischen Pinzetten“ – erfasst. Indem sie die Position der Pinzette veränderten, konnten sie große Anordnungen einzelner Moleküle erzeugen und diese einzeln in jeder gewünschten eindimensionalen Konfiguration positionieren. Sie erzeugten beispielsweise isolierte Molekülpaare und defektfreie Molekülketten.

Als nächstes kodierten sie ein Qubit in den nichtrotierenden und rotierenden Zustand des Moleküls. Sie konnten zeigen, dass das molekulare Qubit seine Kohärenz behält, sich also seine eigene Überlagerung merkt. Kurz gesagt, die Forscher demonstrierten die Fähigkeit, mithilfe individuell gesteuerter Moleküle gut kontrollierte kohärente Qubits zu erzeugen.

Um Moleküle zu verschränken, müssen sie sie miteinander interagieren lassen. Mithilfe einer Reihe von Mikrowellenpulsen gelang es ihnen, einzelne Moleküle auf kohärente Weise miteinander interagieren zu lassen. Durch die präzise zeitliche Abstimmung der Wechselwirkung konnten sie ein Zwei-Qubit-Gate implementieren, das zwei Moleküle miteinander verschränkt. Dies ist von Bedeutung, da solche verschränkten Zwei-Qubit-Gatter den Grundstein für universelles digitales Quantencomputing und Simulationen komplexer Materialien bilden.

Angesichts der innovativen Möglichkeiten, die diese neue Plattform, die molekularen Pinzettenarrays, bietet, hat diese Forschung großes Potenzial für die Untersuchung verschiedener Bereiche der Quantenwissenschaft. Das Princeton-Forschungsteam ist insbesondere daran interessiert, die Physik vieler interagierender Moleküle zu erforschen, die zur Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen verwendet werden kann, in denen interessante Verhaltensweisen entstehen, wie zum Beispiel neue Formen des Magnetismus.

„Die Verwendung von Molekülen für die Quantenwissenschaft ist eine neue Grenze, und die von uns demonstrierte On-Demand-Verschränkung ist ein entscheidender Schritt, um zu zeigen, dass Moleküle als brauchbare Plattform für die Quantenwissenschaft genutzt werden können“, sagte Zhuo.

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.

„Sie kamen zu den gleichen Ergebnissen, was die Zuverlässigkeit unserer Ergebnisse bestätigt“, sagte Cheuk. „Es zeigt auch, dass molekulare Pinzetten-Arrays zu einer spannenden neuen Plattform für die Quantenwissenschaft werden.“

Referenz: „On-Demand-Verschränkung von Molekülen in rekonfigurierbaren optischen Pinzetten-Arrays“, von Connor M. Holland, Yukai Lu und Lawrence W. Cheuk, 7. Dezember 2023, „Science“.

DOI:10.1126/science.adf4272

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily