Da die Moleküle sperrig und schwer zu manipulieren sind, haben sie sich lange Zeit den Versuchen der Physiker widersetzt, sie in einen Zustand kontrollierter Quantenverschränkung zu versetzen, in dem die Moleküle auch aus großer Entfernung eng miteinander verbunden sind.
Nun ist es erstmals zwei getrennten Teams gelungen, Paare ultrakalter Moleküle mit derselben Methode zu verschränken: mikroskopisch präzisen optischen „Pinzettenfallen“.
Quantenverschränkung ist ein bizarres, aber grundlegendes Phänomen des Quantenbereichs, das Physiker zu nutzen versuchen, um die ersten kommerziellen Quantencomputer zu entwickeln.
Alle Objekte – von Elektronen über Atome und Moleküle bis hin zu ganzen Galaxien – können theoretisch als Spektrum von Möglichkeiten beschrieben werden, bevor sie beobachtet werden. Erst durch die Messung einer Eigenschaft gelangt das Rad des Zufalls zu einer klaren Beschreibung.
Wenn zwei Objekte miteinander verschränkt sind, wirkt das Wissen über die Eigenschaften des einen Objekts – seine Drehung, Position oder seinen Impuls – sofort als Maß für das andere und bringt beide rotierenden Räder der Möglichkeit zum völligen Stillstand.
Bisher ist es Forschern gelungen, in Laborexperimenten eingefangene Ionen, Photonen, Atome und supraleitende Schaltkreise zu verschränken. Vor drei Jahren beispielsweise verwickelte ein Team Billionen Atome in „heißem und chaotischem“ Gas. Beeindruckend, aber nicht sehr praktisch.
Physiker haben auch schon früher ein Atom und ein Molekül miteinander verschränkt und sogar biologische Komplexe in Pflanzenzellen gefunden. Aber Paare einzelner Moleküle zu kontrollieren und zu manipulieren – mit ausreichender Präzision für Quantencomputerzwecke – war eine schwierigere Aufgabe.
Moleküle lassen sich nur schwer abkühlen und interagieren leicht mit ihrer Umgebung, was bedeutet, dass sie leicht aus fragilen quantenverschränkten Zuständen herausfallen (was als Dekohärenz bezeichnet wird).
Ein Beispiel für diese Wechselwirkungen sind Dipol-Dipol-Wechselwirkungen: die Art und Weise, wie das positive Ende eines polaren Moleküls in Richtung des negativen Endes eines anderen Moleküls gezogen werden kann.
Dieselben Eigenschaften machen Moleküle aber auch zu vielversprechenden Kandidaten für Qubits im Quantencomputing, weil sie neue Möglichkeiten für die Berechnung bieten.
„Ihre langlebigen molekularen Rotationszustände bilden robuste Qubits, während die weitreichende dipolare Wechselwirkung zwischen Molekülen dafür sorgt.“ Quantenverschränkung„, erklären der Physiker Yicheng Bao von der Harvard University und seine Kollegen in ihrer Arbeit.
Qubits sind die Quantenversion der klassischen Rechenbits, die einen Wert von 0 oder 1 annehmen können. Qubits hingegen können zahlreiche mögliche Kombinationen von 1 und 0 gleichzeitig darstellen.
Durch die Verschränkung von Qubits kann ihre kombinierte Quantenunschärfe aus Einsen und Nullen als schnelle Rechner in speziell entwickelten Algorithmen fungieren.
Da es sich bei Molekülen um komplexere Gebilde als Atome oder Teilchen handelt, verfügen sie über mehr inhärente Eigenschaften oder Zustände, die dazu gebracht werden könnten, sich zu einem Qubit zu koppeln.
„In der Praxis bedeutet dies, dass es neue Möglichkeiten zur Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen gibt“, sagt Yukai Lu, ein Doktorand der Elektro- und Computertechnik an der Princeton University, der Mitautor der zweiten Studie ist.
„Zum Beispiel kann ein Molekül in mehreren Modi schwingen und rotieren. Man kann also zwei dieser Modi verwenden, um ein Qubit zu kodieren. Wenn die Molekülart polar ist, können zwei Moleküle auch dann interagieren, wenn sie räumlich getrennt sind.“
Beide Teams erzeugten ultrakalte Calciummonofluorid (CaF)-Moleküle und fingen sie dann einzeln in optischen Pinzetten ein.
Mithilfe dieser eng fokussierten Laserlichtstrahlen wurden die Moleküle paarweise so nahe positioniert, dass ein CaF-Molekül die weitreichende elektrische Dipolwechselwirkung seines Partners spüren konnte. Dies führte dazu, dass jedes Molekülpaar in einem verschränkten Quantenzustand verbunden wurde, als es noch nicht lange zuvor fremd war.
Die Methode mit ihrer präzisen Manipulation einzelner Moleküle „ebnet den Weg für die Entwicklung neuer vielseitiger Plattformen für Quantentechnologien“, schreibt Augusto Smerzi, Physiker am Nationalen Forschungsrat Italiens, in einer begleitenden Perspektive.
Smerzi war an der Forschung nicht beteiligt, sieht aber deren Potenzial. Durch die Nutzung der Dipolwechselwirkungen von Molekülen könnte das System eines Tages möglicherweise zur Entwicklung hochempfindlicher Quantensensoren genutzt werden, die in der Lage sind, ultraschwache elektrische Felder zu erkennen.
„Die Anwendungen reichen von der Elektroenzephalographie zur Messung der elektrischen Aktivität im Gehirn bis zur Überwachung von Veränderungen elektrischer Felder in der Erdkruste für Erdbebenvorhersagen“, spekuliert er.
Die beiden Studien wurden in veröffentlicht Wissenschafthier und hier.