Physiker „verschränken“ erstmals einzelne Moleküle und beschleunigen so die Möglichkeiten für Quantencomputing

Zum ersten Mal ist es einem Team aus Princeton-Physikern gelungen, einzelne Moleküle in spezielle Zustände zu verknüpfen, die quantenmechanisch „verschränkt“ sind. In diesen bizarren Zuständen bleiben die Moleküle miteinander korreliert – und können gleichzeitig interagieren –, selbst wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind oder sogar wenn sie sich an entgegengesetzten Enden des Universums befinden. Diese Forschung war kürzlich veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

„Dies ist ein Durchbruch in der Welt der Moleküle, da die Quantenverschränkung von grundlegender Bedeutung ist“, sagte Lawrence Cheuk, Assistenzprofessor für Physik an der Princeton University und leitender Autor der Arbeit. „Aber es ist auch ein Durchbruch für praktische Anwendungen, denn verschränkte Moleküle können die Bausteine ​​für viele zukünftige Anwendungen sein.“

Dazu gehören beispielsweise Quantencomputer, die bestimmte Probleme viel schneller lösen können als herkömmliche Computer, Quantensimulatoren, die komplexe Materialien modellieren können, deren Verhalten schwer zu modellieren ist, und Quantensensoren, die schneller messen können als ihre herkömmlichen Gegenstücke.

„Eine der Motivationen für die Quantenwissenschaft besteht darin, dass sich in der praktischen Welt herausstellt, dass man in vielen Bereichen viel besser abschneiden kann, wenn man sich die Gesetze der Quantenmechanik zunutze macht“, sagte Connor Holland, ein Doktorand der Physik Abteilung und Mitautor der Arbeit.

Die Fähigkeit von Quantengeräten, klassische Geräte zu übertreffen, wird als „Quantenvorteil“ bezeichnet. Und der Kern des Quantenvorteils sind die Prinzipien der Superposition und der Quantenverschränkung. Während ein klassisches Computerbit entweder den Wert 0 oder 1 annehmen kann, können Quantenbits, sogenannte Qubits, gleichzeitig in einer Überlagerung von 0 und 1 vorliegen.

Das letztgenannte Konzept, die Verschränkung, ist ein wichtiger Eckpfeiler der Quantenmechanik und entsteht, wenn zwei Teilchen untrennbar miteinander verbunden werden, sodass diese Verbindung bestehen bleibt, selbst wenn ein Teilchen Lichtjahre vom anderen Teilchen entfernt ist. Es ist das Phänomen, das Albert Einstein, der zunächst seine Gültigkeit in Frage stellte, als „gruselige Fernwirkung“ beschrieb.

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 die Schlüsselzutat, die den Quantenvorteil verleiht.“

Der Aufbau von Quantenvorteilen und das Erreichen einer kontrollierbaren Quantenverschränkung bleiben jedoch eine Herausforderung, nicht zuletzt, weil Ingenieure und Wissenschaftler immer noch unklar sind, welche physikalische Plattform für die Erzeugung von Qubits am besten geeignet ist.

In den letzten Jahrzehnten wurden viele verschiedene Technologien – wie etwa eingefangene Ionen, Photonen und supraleitende Schaltkreise, um nur einige zu nennen – als Kandidaten für Quantencomputer und -geräte erforscht. Das optimale Quantensystem oder die optimale Qubit-Plattform könnte sehr wohl von der konkreten Anwendung abhängen.

Bis zu diesem Experiment hatten sich Moleküle jedoch lange Zeit einer kontrollierbaren Quantenverschränkung widersetzt. Doch Cheuk und seine Kollegen fanden durch sorgfältige Manipulation im Labor einen Weg, einzelne Moleküle zu kontrollieren und sie in diese ineinandergreifenden Quantenzustände zu locken.

Sie glaubten auch, dass Moleküle bestimmte Vorteile haben – beispielsweise gegenüber Atomen –, die sie für bestimmte Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulation komplexer Materialien besonders gut geeignet machten. Im Vergleich zu Atomen verfügen Moleküle beispielsweise über mehr Quantenfreiheitsgrade und können auf neue Weise interagieren.

„In der Praxis bedeutet dies, dass es neue Möglichkeiten zur Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen gibt“, 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 zwei dieser Modi verwenden, um ein Qubit zu kodieren. Wenn die Molekülart polar ist, können zwei Moleküle auch dann interagieren, wenn sie räumlich getrennt sind.“

Dennoch erweisen sich Moleküle aufgrund ihrer Komplexität als notorisch schwierig im Labor zu kontrollieren. Gerade die Freiheitsgrade, die sie attraktiv machen, machen es auch schwierig, sie in Laborumgebungen zu kontrollieren oder einzudämmen.

Cheuk und sein Team gingen viele dieser Herausforderungen durch ein sorgfältig durchdachtes Experiment an. Sie wählten zunächst eine molekulare Spezies aus, die sowohl polar ist als auch mit Lasern gekühlt werden kann. Anschließend kühlten sie die Moleküle per Laser auf ultrakalte Temperaturen ab, wobei die Quantenmechanik im Mittelpunkt steht.

Einzelne Moleküle wurden dann von einem komplexen System aus eng fokussierten Laserstrahlen, sogenannten „optischen Pinzetten“, aufgenommen. Indem sie die Positionen der Pinzetten veränderten, konnten sie große Anordnungen einzelner Moleküle erzeugen und diese individuell in jeder gewünschten eindimensionalen Konfiguration positionieren. Sie erzeugten beispielsweise isolierte Molekülpaare und defektfreie Molekülketten.

Als nächstes kodierten sie ein Qubit in einen nicht-rotierenden und rotierenden Zustand des Moleküls. Sie konnten zeigen, dass dieses molekulare Qubit kohärent blieb; das heißt, es erinnerte sich an seine Überlagerung. Kurz gesagt, die Forscher demonstrierten die Fähigkeit, aus individuell kontrollierten Molekülen gut kontrollierte und kohärente Qubits zu erzeugen.

Um die Moleküle zu verschränken, mussten sie die Moleküle zur Interaktion bringen. Mithilfe einer Reihe von Mikrowellenpulsen gelang es ihnen, einzelne Moleküle auf kohärente Weise miteinander interagieren zu lassen.

Indem sie die Wechselwirkung über eine bestimmte Zeitdauer ablaufen ließen, konnten sie ein Zwei-Qubit-Gate implementieren, das zwei Moleküle verschränkte. Dies ist von Bedeutung, da ein solches verschränkendes Zwei-Qubit-Gate ein Baustein sowohl für universelles digitales Quantencomputing als auch für die Simulation komplexer Materialien ist.

Das Potenzial dieser Forschung für die Untersuchung verschiedener Bereiche der Quantenwissenschaft ist angesichts der innovativen Funktionen, die diese neue Plattform molekularer Pinzetten-Arrays bietet, groß. Das Princeton-Team ist insbesondere daran interessiert, die Physik vieler interagierender Moleküle zu erforschen, die zur Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen verwendet werden kann, in denen interessantes Verhalten, wie beispielsweise neuartige Formen des Magnetismus, auftreten kann.

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

In einem separater Artikel veröffentlicht in derselben Ausgabe von WissenschaftÄhnliche Ergebnisse erzielte eine unabhängige Forschungsgruppe unter der Leitung von John Doyle und Kang-Kuen Ni an der Harvard University und Wolfgang Ketterle am Massachusetts Institute of Technology.

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