Los físicos ‘entrelazan’ moléculas individuales con una precisión sorprendente: ScienceAlert

Pesadas y difíciles de manipular, las moléculas han desafiado durante mucho tiempo los intentos de los físicos de llevarlas a un estado de entrelazamiento cuántico controlado, en el que las moléculas están íntimamente unidas, incluso a distancia.

Ahora, por primera vez, dos equipos separados han logrado entrelazar pares de moléculas ultrafrías utilizando el mismo método: “trampas de pinza” ópticas microscópicamente precisas.

El entrelazamiento cuántico es un fenómeno extraño pero fundamental del reino cuántico que los físicos están tratando de explorar para crear las primeras computadoras cuánticas comerciales.

Todos los objetos (desde electrones hasta átomos, moléculas e incluso galaxias enteras) pueden teóricamente describirse como un espectro de posibilidades antes de ser observados. Sólo midiendo una propiedad la rueda del azar establece una descripción clara.

Si dos objetos se entrelazan, conocer algo sobre las propiedades de un objeto (su giro, posición o impulso) actúa instantáneamente como una medida para el otro, deteniendo por completo ambas ruedas de posibilidades.

Hasta ahora, los investigadores han logrado entrelazar iones, fotones, átomos y circuitos superconductores atrapados en experimentos de laboratorio. Hace tres años, por ejemplo, un equipo entrelazó miles de millones de átomos en un gas “caliente y confuso”. Impresionante, pero poco práctico.

Los físicos también han entrelazado una átomo y una molécula antes y hasta complejos biológicos que se encuentra en las células vegetales. Pero controlar y manipular pares de moléculas individuales (con suficiente precisión para fines de computación cuántica) ha sido una tarea más difícil.

Las moléculas son difíciles de enfriar e interactúan fácilmente con su entorno, lo que significa que salen fácilmente de frágiles estados cuánticos entrelazados (lo que se conoce como Decoherencia).

Un ejemplo de estas interacciones son interacciones dipolo-dipolo: la forma en que el extremo positivo de una molécula polar puede ser atraído hacia el extremo negativo de otra molécula.

Pero estas mismas propiedades también hacen que las moléculas sean candidatas prometedoras para los qubits en la computación cuántica porque ofrecen nuevas posibilidades informáticas.

«Sus estados de rotación molecular de larga duración forman qubits robustos, mientras que la interacción dipolar de largo alcance entre moléculas proporciona entrelazamiento cuántico«, explica El físico de la Universidad de Harvard Yicheng Bao y sus colegas, en su artículo.

Los qubits son la versión cuántica de los bits informáticos clásicos, que pueden tomar el valor 0 o 1. Los qubits, por otro lado, pueden representar innumerables combinaciones posibles 1 y 0 al mismo tiempo.

Al entrelazar los qubits, su desenfoque cuántico combinado de unos y ceros puede funcionar como calculadoras rápidas en algoritmos especialmente diseñados.

Las moléculas, al ser entidades más complejas que los átomos o las partículas, tienen propiedades o estados más inherentes a los que se podría persuadir para que se acoplen para formar un qubit.

«Lo que esto significa, en términos prácticos, es que existen nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica». dice Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Princeton, es coautor del segundo estudio.

«Por ejemplo, una molécula puede vibrar y rotar en múltiples modos. Así que 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».

Ambos equipos generaron moléculas de monofluoruro de calcio (CaF) ultrafrías y luego las atraparon, una por una, en pinzas ópticas.

Utilizando estos rayos de luz láser estrechamente enfocados, las moléculas se colocaron en pares, lo suficientemente cerca como para que una molécula de CaF pudiera detectar la interacción eléctrica dipolar de largo alcance de su pareja. Esto provocó que cada par de moléculas se unieran en un estado entrelazado cuántico cuando, no mucho antes, eran extrañas.

El método, con su manipulación precisa de moléculas individuales, «allana el camino para el desarrollo de nuevas plataformas versátiles para tecnologías cuánticas». el escribe Augusto Smerzi, físico del Consejo Nacional de Investigación de Italia, desde una perspectiva de seguimiento.

Smerzi no participó en la investigación, pero ve su potencial. Aprovechando las interacciones dipolares de las moléculas, dice que el sistema algún día podría usarse para desarrollar sensores cuánticos supersensibles capaces de detectar campos eléctricos ultradébiles.

«Las aplicaciones van desde la electroencefalografía para medir la actividad eléctrica en el cerebro hasta el seguimiento de los cambios en los campos eléctricos en la corteza terrestre para predecir terremotos», dice. especular.

Los dos estudios fueron publicados en Ciencia, aquí Es aquí.