Teknisk robuste og skalerbare molekylære qubits

Konseptet “symmetri” er essensielt for grunnleggende fysikk: et avgjørende element i alt fra subatomære partikler til makroskopiske krystaller. Følgelig kan mangel på symmetri – eller asymmetri – drastisk påvirke egenskapene til et gitt system.

Qubits, kvanteanalogen til databiter for kvantedatamaskiner, er ekstremt følsomme – den minste forstyrrelsen i et qubit-system er nok til at den mister kvanteinformasjon det kan ha båret. Gitt denne skjørheten, virker det intuitivt det qubits ville være mest stabil i et symmetrisk miljø. Men for en viss type qubit – en molekylær qubit – er det motsatte sant.

Forskere fra University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME), University of Glasgow og Massachusetts Institute of Technology har funnet ut at molekylære qubits er mye mer stabile i et asymmetrisk miljø, og utvider mulige anvendelser av slike qubits, spesielt som biologiske kvantesensorer.

Verket ble publisert i august i Fysisk gjennomgang X.

“Molekylære qubits er bemerkelsesverdig allsidige, siden de kan spesialkonstrueres og plasseres i en rekke forskjellige miljøer,” sa David Awschalom, Liew Family Professor i molekylærteknikk og fysikk ved UChicago, seniorforsker ved Argonne, direktør for Chicago Quantum Exchange, og direktør for Q-NEXT, en Department of Energy Quantum Information Science Center. “Å utvikle denne metoden for å stabilisere dem åpner nye dører for potensielle anvendelser av denne nye teknologien.”

Å bruke et system som en qubit krever at det har to kvantetilstander som kan tilsvare “0” og “1”, som i en klassisk datamaskin. Men kvantetilstander er skjøre, og vil kollapse hvis de forstyrres på noen måte. Kvanteforskere har presset grensene for hvor lenge de kan få en qubit til å holde a hvor mye stat før den kollapser, også kjent som «koherenstid».

Å skjerme qubits fra så mye ekstern påvirkning som mulig er en måte å forsøke å øke koherenstiden deres, og ved å plassere de molekylære qubitene i en asymmetrisk krystallmatrise fant Awschalom og teamet hans at visse kvantetilstander var mye mindre følsomme for eksterne magnetiske felt, og hadde dermed lengre koherenstider: 10 µs, sammenlignet med 2 µs for identiske qubits i en symmetrisk krystallarray.

Dan Laorenza, en kjemistudent ved MIT som jobbet med prosjektet, sier at det asymmetriske miljøet gir “koherensbeskyttelse” som kan tillate qubitene å beholde kvanteinformasjonen selv om de er plassert på mer kaotiske steder.

“Vi forstår nå en direkte og pålitelig mekanisme for å forbedre koherensen av molekylære qubits i magnetisk støyende miljøer,” sa han. “Det viktigste er at dette asymmetriske miljøet lett kan oversettes til mange andre molekylære systemer, spesielt for molekyler satt i amorfe miljøer som de som finnes i biologi.”

Qubit kvantesensorer har utallige potensielle anvendelser i biologiske systemer, spesielt i medisinske sammenhenger; men disse systemene er kjent for å være ustrukturerte og støyende, noe som gjør det til en svært vanskelig utfordring å opprettholde sammenhengen til disse qubit-sensorene. Å lære hvorfor et asymmetrisk miljø stabiliserer molekylære qubits mot magnetiske felt kan føre til bedre sensorer i disse forskningsfeltene.

---

---