Molekuly by mohli vytvárať kvantové zariadenia na mieru

  • Valentín Korinek | 15 Marec 2021
    Svet fyziky
Molekula s centrálnym iónom chrómu (fialová) môže slúžiť ako kvantový bit kódujúci informácie v smere ich rotácie (na tomto obrázku je označená šípkou). Pripojené atómy (sivé) menia vlastnosti iónu, umožňujúc tak manipuláciu s laserom (fialová škvrna) a vyžarovanie svetla v reakcii (červená škvrna). (Daniel Laorenza / Northwestern University)
Dôkladným prispôsobením zloženia molekúl vytvárajú vedci chemické systémy vhodné pre rôzne kvantové úlohy. Schopnosť riadiť molekuly z nich tak robí úžasný systém, s ktorým sa dá pracovať. Preto sú na to najlepšie.

Kvantové bity (qubits) sú analogické s bitmi nachádzajúcimi sa v bežných počítačoch. Namiesto existencie v stave 0 alebo 1, ako to robia štandardné bity, však môžu qubity vlastniť obe hodnoty súčasne, čo umožňuje nové typy výpočtov, nemožné pre bežné počítače.

Okrem ich potenciálneho použitia v kvantových počítačoch môžu molekuly slúžiť aj ako kvantové senzory, zariadenia, ktoré umožňujú vykonávať mimoriadne citlivé merania, ako sú napríklad nepatrné zmeny elektromagnetických síl.

Na qubite vytvoreného vedcami je v strede molekuly jediný ión chrómu, elektricky nabitý atóm. Hodnota qubitu je predstavovaná elektrickým spinom tohto iónu, teda mierou momentu hybnosti jeho elektrónov. Na chróm sú naviazané ďalšie skupiny atómov; výmenou niektorých atómov v týchto skupinách môžu vedci zmeniť vlastnosti qubitu a pozmeniť tak jeho fungovanie.

Nedávno vedci vytvorili molekuly tak, aby vyhovovali jednej konkrétnej potrebe: aby molekulárne qubity reagovali na svetlo. Pomocou laserov tak môžu nastaviť hodnoty qubitov a pomôcť vyhodnotiť výsledky výpočtov. Ďalšou možnosťou môže byť vytvorenie molekúl, ktoré sú biokompatibilné, to znamená aby sa dali použiť aj na snímanie podmienok v živom tkanive.

Molekuly majú ešte jednu zvláštnosť. Všetky daného typu sú úplne rovnaké. Veľa druhov qubitov sa vyrába z kúskov kovu alebo iného materiálu, čo vedie k miernym rozdielom medzi qubitmi na atómovej úrovni. No použitie techník na vytvorenie molekúl (atóm po atóme) znamená, že qubity sú identické, čo umožňuje lepšiu odozvu.

Vedci už používajú jednotlivé atómy a ióny v kvantových zariadeniach, no práca s molekulami je však zložitejšia, a to vďaka množstvu ich zložiek. Molekuly sa tak stávajú relatívne novým kvantovým zdrojom a ešte ani poriadne nevieme, čo dokážu.

----
*Qubit - Pri kvantových výpočtoch je qubit alebo kvantový bit základnou jednotkou kvantovej informácie - kvantová verzia klasického binárneho bitu, fyzicky realizovaná pomocou dvojstavového zariadenia.