Tek moleküller gelecekteki kuantum ağlarının yapı taşlarını sağlayabilir

Kuantum bilgisayarlar bilgi birimleri olarak kübitlere güveniyor. Onları uzun mesafeler boyunca daha büyük bir ağa bağlamak için ışık kullanarak kuantum bilgisini aktarmaları gerekiyor.

Bilim adamları, elmas kristallerindeki ve kubit görevi görebilecek diğer yarı iletken malzemelerdeki küçük kusurları kullanarak bunu yapmanın yollarını geliştiriyorlar. Ancak önemli bir sorun var. İstenmeyen kusurlar ve sıkışan elektrik yükleri, kübitlerin yaydığı ışığın frekansını değiştiren dalgalanmalara neden olabilir ve bu da güvenilir kuantum bağlantılarının kurulmasını zorlaştırır.

Dergide yayınlanan yeni araştırmada Doğabilim insanları, kararlı bir kübit içeren özel olarak tasarlanmış bir moleküler sistem kullanarak bu istikrarsızlık sorununu çözmenin umut verici bir yolunu gösterdiler.

Moleküler bir kübit oluşturmak

Alman startup NVision Quantum Technologies’den bir ekip, kübitleri oluşturmak için, istikrarlı bir ortam sağlama yeteneği nedeniyle seçilen bir kristalin içine kimyasal bir bileşik yerleştirdi. Daha sonra kristali 4,5 Kelvin’e (yaklaşık -269°C) soğuttular ve bileşiği karben adı verilen moleküllere dönüştürmek için lazer ışığı kullandılar. Her karben molekülü, birleşik spini kuantum bilgisini depolamak için kullanılabilen iki eşleşmemiş elektron içerir.

Bir sonraki adım, tek bir molekülün kuantum durumunu kontrol edip okuyamayacaklarını görmekti. Bunu yapmak için, elektronların dönüşünü manipüle etmek için mikrodalga darbelerini ve sonuçları okumak için lazer ışığını kullandılar. Ayrıca moleküllerin kuantum durumlarını ne kadar süre koruyabildiklerini ve ışık emisyonlarının zaman içinde ne kadar stabil kaldığını da ölçtüler.

Umut verici bir atılım

Ve moleküler ölçekte yapılan tüm bu çalışmalar meyvesini verdi.

Bilim adamları, tek bir molekülün dönüş durumunu kontrol edip okuyabildiler ve dönüşün hassas kuantum özelliklerini yaklaşık 2,2 milisaniye boyunca koruyabildiler.

Daha da önemlisi, tek tek moleküller tarafından yayılan ışığın frekansları bir saatten fazla bir süre boyunca oldukça sabit kaldı.

Çalışma yazarları, “Bu sonuçlar, aşağıdan yukarıya kimyasal tasarımın ve işlenebilir malzemelerin avantajlarını korurken, moleküler kübitlerin tek yayıcı kuantum optikleri için uygun bir platform olduğunu ortaya koyuyor” yorumunu yaptı.

Elbette bu çalışma sadece başlangıç. Araştırmacılar, yaklaşımlarının, bireysel moleküllerde depolanan bilgilerin fotonlara bağlanmasını sağlayarak kuantum ağlarının geliştirilmesine yardımcı olabileceğine inanıyor. Moleküller ayrıca ince filmlere dahil edilebilir ve mevcut fotonik çiplerle entegre edilebilir.

“Bu çalışmanın odak noktası bireysel olarak adreslenebilir bir moleküler kübitin gösterilmesi olsa da, özelliklerini bir kuantum ağı düğümünün gereksinimlerinin daha geniş bağlamına yerleştirmenin değerli olduğuna inanıyoruz.”

Bu, moleküler ölçekte küçük bir adım ama potansiyel olarak kuantum hesaplamanın geleceği açısından büyük bir adım.