Las moléculas, voluminosas y difíciles de discutir, han desafiado durante mucho tiempo los intentos de los físicos de atraerlas a un estado de entrelazamiento cuántico controlado, mediante el cual 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 pinzas” ópticas microscópicamente precisas.
El entrelazamiento cuántico es un fenómeno extraño pero fundamental del reino cuántico que los físicos están tratando de aprovechar 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 se detiene en 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 del otro, deteniendo por completo las ruedas giratorias de posibilidades de ambos.
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 billones de átomos en gas “caliente y confuso”. Impresionante, pero poco práctico.
Los físicos también han entrelazado una átomo y una molécula antes, e incluso 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 fácilmente caen de frágiles estados cuánticos entrelazados (lo que se conoce como decoherencia
Un ejemplo de esas interacciones son interacciones dipolo-dipolo: la forma en que el extremo positivo de una molécula polar puede ser arrastrado hacia el extremo negativo de otra molécula.
Pero esas mismas propiedades también hacen que las moléculas sean candidatas prometedoras para los qubits en la computación cuántica porque ofrecen nuevas posibilidades para la computación.
“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 asumir un valor de 0 o 1. Los qubits, por otro lado, pueden representar numerosas combinaciones posibles de 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 que podrían inducirse a acoplarse 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, coautor del segundo estudio.
“Por ejemplo, una molécula puede vibrar y rotar en múltiples modos. Entonces, 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 llevó a que cada par de moléculas se unieran en un estado cuántico entrelazado cuando no mucho antes habían sido extraños.
El método, con su manipulación precisa de moléculas individuales, “allana el camino para el desarrollo de nuevas plataformas versátiles para tecnologías cuánticas”. escribe Augusto Smerzi, físico del Consejo Nacional de Investigación de Italia, en perspectiva acompañante.
Smerzi no participó en la investigación, pero ve su potencial. Al aprovechar las interacciones dipolares de las moléculas, dice que el sistema algún día podría usarse para desarrollar sensores cuánticos súper sensibles capaces de detectar campos eléctricos ultradébiles.
“Las aplicaciones abarcan 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”, afirmó. especula.
Los dos estudios han sido publicados en Ciencia, aquí y aquí.