In una prima volta degna di nota, un team di fisici di Princeton è stato in grado di collegare insieme singole molecole in stati speciali che sono “entangled” dal punto di vista della meccanica quantistica. In questi stati bizzarri, le molecole rimangono correlate tra loro – e possono interagire simultaneamente – anche se sono a chilometri di distanza, o addirittura, anche se occupano le estremità opposte dell’universo.
Questa ricerca è stata pubblicato nell’ultimo numero della rivista Scienza.
Configurazione laser per il raffreddamento, il controllo e l’entanglement di singole molecole. Illustrazione di Richard Soden, Dipartimento di Fisica
“Si tratta di una svolta nel mondo delle molecole a causa dell’importanza fondamentale dell’entanglement quantistico”, ha affermato Lawrence Cheukassistente professore di fisica all’Università di Princeton, autore senior dell’articolo e laureato alla Princeton Class del 2010. “Ma è anche una svolta per le applicazioni pratiche perché le molecole entangled possono essere gli elementi costitutivi di molte applicazioni future.”
Questi includono, ad esempio, i computer quantistici che possono risolvere determinati problemi molto più velocemente dei computer convenzionali. Questi simulatori quantistici possono modellare materiali complessi i cui comportamenti sono difficili da modellare e sensori quantistici in grado di misurare più velocemente rispetto alle loro controparti tradizionali.
“Una delle motivazioni nel fare scienza quantistica è che nel mondo pratico si scopre che se si sfruttano le leggi della meccanica quantistica, si può fare molto meglio in molte aree”, ha detto Connor Holland, uno studente laureato del dipartimento di fisica. e un coautore del lavoro.
La capacità dei dispositivi quantistici di superare quelli classici è nota come “vantaggio quantistico”. E al centro del vantaggio quantistico ci sono i principi di sovrapposizione e entanglement quantistico. Mentre un bit di computer classico può assumere il valore 0 o 1, i bit quantistici, chiamati qubit, possono essere contemporaneamente in una sovrapposizione di 0 E 1.
Quest’ultimo concetto, l’entanglement, è uno dei pilastri fondamentali della meccanica quantistica. Si verifica quando due particelle si legano indissolubilmente tra loro in modo che questo legame persista, anche se una particella è distante anni luce dall’altra particella. È il fenomeno che Albert Einstein, che in un primo momento ne mise in dubbio la validità, descrisse come “spettrale azione a distanza”. Da allora, i fisici hanno dimostrato che l’entanglement è, in effetti, una descrizione accurata del mondo fisico e di come è strutturata la realtà.
“L’entanglement quantistico è un concetto fondamentale”, ha affermato Cheuk, “ma è anche l’ingrediente chiave che conferisce il vantaggio quantistico”.
Ma costruire un vantaggio quantistico e ottenere un entanglement quantistico controllabile rimane una sfida, anche perché ingegneri e scienziati non hanno ancora chiaro quale sia la piattaforma fisica migliore per creare qubit. Negli ultimi decenni, molte tecnologie diverse – come ioni intrappolati, fotoni, circuiti superconduttori, per citarne solo alcune – sono state esplorate come candidate per computer e dispositivi quantistici. Il sistema quantistico o la piattaforma qubit ottimale potrebbero benissimo dipendere dall’applicazione specifica.
Fino a questo esperimento, tuttavia, le molecole avevano a lungo sfidato l’entanglement quantistico controllabile. Ma Cheuk e i suoi colleghi hanno trovato un modo, attraverso un’attenta manipolazione in laboratorio, per controllare le singole molecole e costringerle a entrare in questi stati quantistici interconnessi. Credevano inoltre che le molecole presentassero alcuni vantaggi – rispetto agli atomi, ad esempio – che le rendevano particolarmente adatte per determinate applicazioni nell’elaborazione delle informazioni quantistiche e nella simulazione quantistica di materiali complessi. Rispetto agli atomi, ad esempio, le molecole hanno più gradi di libertà quantistici e possono interagire in modi nuovi.
“Ciò significa, in termini pratici, che esistono nuovi modi di archiviare ed elaborare le informazioni quantistiche”, ha affermato Yukai Lu, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica e coautore dell’articolo. “Ad esempio, una molecola può vibrare e ruotare in molteplici modalità. Quindi, puoi utilizzare due di queste modalità per codificare un qubit. Se la specie molecolare è polare, due molecole possono interagire anche se separate spazialmente”.
Tuttavia, le molecole si sono rivelate notoriamente difficili da controllare in laboratorio a causa della loro complessità. Gli stessi gradi di libertà che li rendono attraenti li rendono anche difficili da controllare, o da recintare, in ambienti di laboratorio. Cheuk e il suo team hanno affrontato molte di queste sfide attraverso un esperimento attentamente studiato che coinvolge una sofisticata piattaforma sperimentale nota come “tweezer array”, in cui le singole molecole sono state raccolte da un complesso sistema di raggi laser strettamente focalizzati, i cosiddetti “ pinzette ottiche.”
“L’uso delle molecole per la scienza quantistica è una nuova frontiera e la nostra dimostrazione dell’entanglement su richiesta è un passo fondamentale nel dimostrare che le molecole possono essere utilizzate come una piattaforma praticabile per la scienza quantistica”, ha affermato Cheuk.
In un articolo separato pubblicato sullo stesso numero di Scienzaun gruppo di ricerca indipendente guidato da John Doyle e Kang-Kuen Ni dell’Università di Harvard e Wolfgang Ketterle del Massachusetts Institute of Technology ha ottenuto risultati simili.
“Il fatto che abbiano ottenuto gli stessi risultati verifica l’affidabilità dei nostri risultati”, ha detto Cheuk. “Mostrano anche che gli array di pinzette molecolari stanno diventando una nuova entusiasmante piattaforma per la scienza quantistica”.
Scritto da Tom Garlinghouse
Fonte: università di Princeton
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
