En revolutionär framgång inom kvantberäkning har uppnåtts av forskare vid Harvard University, som för första gången lyckats fånga molekyler och använda dem för att utföra kvantoperationer. Genombrottet, publicerat i tidskriften Nature, öppnar dörrar för en ny era av kvantteknologi där molekylers komplexa egenskaper kan utnyttjas för snabbare och mer effektiva beräkningar .
Varför är molekyler en utmaning?
Molekyler har länge ansetts för komplicerade för kvantberäkning på grund av deras rika inre struktur — vibrationer, rotationer och känslighet för omgivningen. Istället har forskare fokuserat på enklare partiklar som joner eller neutrala atomer. Men molekylers unika egenskaper, som deras elektriska dipolmoment, ger potentiella fördelar, som längre samkoherenstid och starkare interaktioner mellan qubits .
Hur lyckades Harvard-teamet?
Forskare använde optiska pincetter (laserbaserade fällor) för att fånga natrium-cesiummolekyler (NaCs) i en extremt kall miljö (−273 °C). Genom att kontrollera molekylernas rotation och utnyttja deras dipol-dipol-interaktioner skapade de en iSWAP-grind — en kritisk kvantkrets som genererar kvantsammansättning (entanglement). Experimentet resulterade i en två-qubit Bell-tillstånd med 94 % noggrannhet, en nyckelprestation för att bevisa molekylers användbarhet som qubits .
”Detta är den sista pusselbiten för att bygga en molekylär kvantdator,” säger Annie Park, postdoktor och medförfattare till studien .
Parallella framsteg: Långvarig kvantsammansättning mellan molekyler
I en relaterad studie från Durham University använde forskare ”magiska våglängdsoptik” för att skapa en stabil miljö där två molekyler förblev sammansatta i nära en sekund — en enorm framgång jämfört med tidigare mikrosekunder. Med en sammansättningsnoggrannhet (fidelity) på 92 % visar detta att molekyler kan vara stabila nog för praktiska tillämpningar som kvantsensorer eller kvantminnen .
Vad gör denna teknik unik?
- Molekylär komplexitet som styrka: Molekylers interna frihetsgrader kan kodas som qubits, vilket ger fler dimensioner att arbeta med jämfört med traditionella system .
- Optiska pincetters precision: Lasernas noggranna kontroll möjliggör manipulering av enskilda molekyler utan störningar från omgivningen .
- Skalbarhet: Dipol-interaktioner mellan molekyler kan skapa starka kopplingar över långa avstånd, vilket underlättar byggandet av större kvantnätverk .
Utmaningar och framtidsutsikter
Trots framstegen kvarstår hinder:
- Stabilitet: Molekylers rörelser måste minimeras för att upprätthålla samkoherens under längre tid .
- Felkorrigering: Högre noggrannhet krävs för att nå 99,9 % fidelity, en förutsättning för felresistenta kvantdatorer .
- Skalning: Att fånga tusentals molekyler samtidigt är nästa steg, något som kräver förbättrad laserteknik och kylning .
Forskare ser dock en ljus framtid. ”Molekylära qubits kan bli hjärnan i nästa generations kvantmaskiner,” säger Kang-Kuen Ni, professor vid Harvard och en av studiens ledare .
Potentiella tillämpningar
- Kvantkemi: Simulering av molekylära processer för att utveckla nya material eller läkemedel.
- Kryptografi: Säker kommunikation via kvantnycklar.
- Optimering: Lösningar på komplexa logistik- eller klimatmodelleringsproblem .
Globala implikationer
Genombrottet placerar molekylär kvantberäkning på kartan som en legitim konkurrent till jonfällor och supraledande qubits. Med fler team som Durhams och Harvards i spetsen kan tävlingen om att bygga den första praktiska kvantdatorn intensifieras .
