Físicos 'entrelazan' moléculas individuales por primera vez

Por primera vez, un equipo de físicos de la Universidad de Princeton ha podido unir moléculas individuales en estados especiales que están "entrelazados" mecánicamente de forma cuántica.

En estos extraños estados, las moléculas permanecen correlacionadas entre sí (y pueden interactuar simultáneamente) incluso si están a kilómetros de distancia, o incluso si ocupan extremos opuestos del universo.

"Este es un gran avance en el mundo de las moléculas debido a la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico", dijo en un comunicado Lawrence Cheuk, profesor asistente de física y autor principal del artículo. publicado en Science. "Pero también es un gran avance para aplicaciones prácticas porque las moléculas entrelazadas pueden ser los componentes básicos de muchas aplicaciones futuras".

Estos incluyen, por ejemplo, computadoras cuánticas que pueden resolver ciertos problemas mucho más rápido que las computadoras convencionales, simuladores cuánticos que pueden modelar materiales complejos cuyo comportamiento es difícil de modelar y sensores cuánticos que pueden medir más rápido que sus contrapartes tradicionales.

"Una de las motivaciones para hacer ciencia cuántica es que, en el mundo práctico, resulta que si se aprovechan las leyes de la mecánica cuántica, se puede hacerlo mucho mejor en muchas áreas", dijo Connor Holland, estudiante de posgrado en física y coautor del trabajo.

La capacidad de los dispositivos cuánticos para superar a los clásicos se conoce como "ventaja cuántica". Y en el núcleo de la ventaja cuántica se encuentran los principios de superposición y entrelazamiento cuántico. Mientras que un bit de computadora clásico puede asumir el valor de 0 o 1, los bits cuánticos, llamados qubits, pueden estar simultáneamente en una superposición de 0 y 1.

El último concepto, el entrelazamiento, es una piedra angular importante de la mecánica cuántica y ocurre cuando dos partículas se unen inextricablemente entre sí de modo que este vínculo persiste, incluso si una partícula está a años luz de la otra. Es el fenómeno que Albert Einstein, que en un principio cuestionó su validez, describió como "acción fantasmal a distancia".

Desde entonces, los físicos han demostrado que el entrelazamiento es, de hecho, una descripción precisa del mundo físico y de cómo está estructurada la realidad.

"El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental", dijo Cheuk, "pero también es el ingrediente clave que otorga la ventaja cuántica".

Pero desarrollar una ventaja cuántica y lograr un entrelazamiento cuántico controlable sigue siendo un desafío, sobre todo porque los ingenieros y científicos aún no tienen claro qué plataforma física es mejor para crear qubits.

En las últimas décadas, se han explorado muchas tecnologías diferentes (como iones atrapados, fotones y circuitos superconductores, por nombrar sólo algunas) como candidatas para computadoras y dispositivos cuánticos. El sistema cuántico o plataforma qubit óptimo podría muy bien depender de la aplicación específica.

Sin embargo, hasta este experimento, las moléculas habían desafiado durante mucho tiempo el entrelazamiento cuántico controlable. Pero Cheuk y sus colegas encontraron una manera, mediante una cuidadosa manipulación en el laboratorio, de controlar moléculas individuales y llevarlas a estos estados cuánticos entrelazados.

También creían que las moléculas tienen ciertas ventajas (sobre los átomos, por ejemplo) que las hacían especialmente adecuadas para ciertas aplicaciones en el procesamiento de información cuántica y la simulación cuántica de materiales complejos. En comparación con los átomos, por ejemplo, las moléculas tienen más grados de libertad cuánticos y pueden interactuar de nuevas formas.

"Lo que esto significa, en términos prácticos, es que existen nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica", dijo Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y coautor del artículo. "Por ejemplo, una molécula puede vibrar y rotar en múltiples modos. Entonces, puedes usar dos de estos modos para codificar un qubit. Si la especie molecular es polar, dos moléculas pueden interactuar incluso cuando están separadas espacialmente".

Sin embargo, las moléculas han resultado muy difíciles de controlar en el laboratorio debido a su complejidad. Los mismos grados de libertad que los hacen atractivos también los hacen difíciles de controlar o acorralar en entornos de laboratorio.

Cheuk y su equipo abordaron muchos de estos desafíos mediante un experimento cuidadosamente pensado. Primero eligieron una especie molecular que es polar y puede enfriarse con láseres. Luego enfriaron las moléculas con láser a temperaturas ultrafrías, donde la mecánica cuántica ocupa un lugar central.

Luego, las moléculas individuales fueron captadas por un complejo sistema de rayos láser estrechamente enfocados, las llamadas "pinzas ópticas". Al diseñar las posiciones de las pinzas, pudieron crear grandes conjuntos de moléculas individuales y colocarlas individualmente en cualquier configuración unidimensional deseada. Por ejemplo, crearon pares aislados de moléculas y cadenas de moléculas libres de defectos.

A continuación, codificaron un qubit en un estado de molécula giratorio y no giratorio. Pudieron demostrar que este qubit molecular seguía siendo coherente; es decir, recordó su superposición. En resumen, los investigadores demostraron la capacidad de crear qubits coherentes y bien controlados a partir de moléculas controladas individualmente.

Para entrelazar las moléculas, tuvieron que hacer que la molécula interactuara. Utilizando una serie de pulsos de microondas, pudieron hacer que moléculas individuales interactuaran entre sí de forma coherente.

Al permitir que la interacción se produjera durante un período de tiempo preciso, pudieron implementar una puerta de dos qubits que entrelazó dos moléculas. Esto es importante porque una puerta de dos qubits tan entrelazada es un componente básico tanto para la computación cuántica digital universal como para la simulación de materiales complejos.