To pierwsze takie splątanie w historii. Otwiera drzwi do niebywałych zastosowań

Dzięki badaniom przeprowadzonym przez naukowców z Uniwersytetu w Princeton udało się połączyć pojedyncze cząsteczki w specjalne stany. Te z perspektywy mechaniki kwantowej podlegają splątaniu, co zapewnia szereg potencjalnych zastosowań. 
To pierwsze takie splątanie w historii. Otwiera drzwi do niebywałych zastosowań

To za sprawą korelacji między wspomnianymi cząsteczkami, co sprawia, że wpływają one na siebie wzajemnie bez względu na dzielącą je odległość. Splątanie kwantowe samo w sobie jest niezwykle intrygujące, a sprawy przybierają nawet ciekawszy obrót, gdy przejdziemy do sposobów na wykorzystanie tego stanu. O potencjalnych zastosowaniach członkowie zespołu badawczego piszą na łamach Science.

Czytaj też: Bezbłędne obliczenia kwantowe są jednak możliwe. Kubity Rydberga mogą stanowić prawdziwy przełom

Jak przekonuje jeden z autorów, Lawrence Cheuk, to przełom w świecie cząsteczek ze względu na fundamentalne znaczenie splątania kwantowego. Istotny jest przy tym fakt, że w grę wchodzą praktyczne zastosowania. Beneficjentami ostatnich postępów będą między innymi komputery kwantowe, symulatory kwantowe oraz czujniki kwantowe. 

Wszystkie te urządzenia mogą okazać się kluczowe dla ludzkości. Komputery kwantowe są bowiem w stanie wykonywać obliczenia nie tylko wielokrotnie szybciej ludzi, ale także zostawiają daleko w tyle konwencjonalne komputery. Z kolei symulatory kwantowe pozwalają na modelowanie nawet najbardziej zagadkowych materiałów, podczas gdy czujniki kwantowe wykonują pomiary w bardzo szybkim tempie. 

Splątanie kwantowe dotyczące pojedynczych cząsteczek może zostać wykorzystane w komputerach, symulatorach i czujnikach kwantowych

Istotną rolę w tym kontekście odgrywa tzw. przewaga kwantowa. O ile klasyczne bity mogą przyjmować wartości rzędu 0 lub 1, tak bity kwantowe, czyli kubity, mogą pozostawać w stanie superpozycji. Oznacza to, że zajmują nie tylko stany 0 i 1, ale również oba jednocześnie. Z kolei splątanie kwantowe pozwala na wnioskowanie o drugiej cząstce na podstawie obserwacji pierwszej. Jest to możliwe bez względu na dystans je dzielący.

Oczywiście w teorii brzmi to łatwo, ale osiągnięcie splątania kwantowego stanowi spore wyzwanie. W toku prowadzonych na przestrzeni lat eksperymentów naukowcy doszli do wniosku, że w cząsteczkach może drzemać ogromny potencjał. W odróżnieniu od atomów mają one więcej kwantowych stopni swobody i mogą wchodzić w interakcje na odmienne sposoby.

Czytaj też: Teoria Einsteina łączy się z mechaniką kwantową? Niebywałe ustalenia naukowców podważają naturę grawitacji 

Niestety, ze względu na wysoką złożoność cząstek, ich kontrolowanie okazało się wyjątkowo skomplikowane. Autorzy nowych badań przeprowadzili eksperyment, w ramach którego schłodzili cząsteczki do bardzo niskich temperatur. Wykorzystali w tym celu wiązki laserów, by później uchwycić część cząstek z wykorzystaniem szczypców optycznych. Na tym ich wysiłki się nie skończyły: stworzyli też izolowane pary cząsteczek oraz wolne od defektów ciągi cząsteczek.

Kolejny etap polegał na zakodowaniu kubitu w nieobracającym się i obracającym się stanie. Obserwacje potwierdziły, że kubit “pamiętał” swoją superpozycję, co stanowi dowód na to, że możliwe jest tworzenie kontrolowanych i spójnych kubitów z indywidualnie kontrolowanych cząsteczek. Do splątania cząsteczek posłużyły impulsy mikrofalowe, a za sprawą trwającej interakcji badaczom udało się stworzyć dwukubitową bramkę, która splątała dwie cząsteczki. Z wykorzystaniem takiej dwukubitowej bramki można prowadzić zarówno symulacje kwantowe, jak i obliczenia kwantowe, co jest szczególnie pożądane.