สปินโมเลกุลแสดงสัญญาเป็นบิตควอนตัม

นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาได้แสดงให้เห็นแล้วว่าสถานะของการหมุนของโมเลกุลในคริสตัลสามารถตรวจพบได้โดยใช้โพลาไรเซชันของโฟตอนที่ปล่อยออกมา ซึ่งช่วยให้ทีมสามารถเตรียมและอ่านสถานะการหมุนภายในโมเลกุลได้อย่างแม่นยำ ซึ่งเป็นความสามารถที่สามารถใช้สร้างควอนตัมบิต (qubits) ที่มีความยืดหยุ่นและการควบคุมที่มากกว่าการใช้แพลตฟอร์มอื่นๆ

จนถึงตอนนี้ แพลตฟอร์มที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด

สำหรับการคำนวณควอนตัมได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นคิวบิตที่ดักจับไอออนและคิวบิตที่มีตัวนำยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีทั้งสองมีข้อบกพร่องที่สำคัญ ไอออน qubits ต้องการกับดักสูญญากาศและแม่เหล็กไฟฟ้าสูง ในขณะที่ qubits ตัวนำยิ่งยวดต้องทำจากวงจรควอนตัมที่เหมือนกัน ซึ่งยากมากในการผลิตที่มีความสม่ำเสมอที่ต้องการ ทางเลือกหนึ่งที่เป็นไปได้คือศูนย์ตำแหน่งว่างไนโตรเจนของเพชร (NV) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมที่อยู่ติดกันในโครงตาข่ายเพชรถูกแทนที่ด้วยอะตอมไนโตรเจนเดี่ยว ศูนย์ NV ต่างจากโครงตาข่ายคาร์บอนที่เหลือตรงที่มีการหมุนซึ่งสามารถจัดการและอ่านค่าได้อย่างง่ายดายด้วยแสงเลเซอร์

น่าเสียดายที่กระบวนการสร้างศูนย์ NV นั้นเกี่ยวข้องกับการฉายรังสีเพชรก่อนที่จะให้เพชรเหล่านั้นสัมผัสกับก๊าซไนโตรเจนและยากที่จะดำเนินการอย่างแม่นยำ “ความท้าทายหลักประการหนึ่งในการสร้างระบบควอนตัมโซลิดสเตตที่ปรับขนาดได้คือการวางบิตควอนตัมในตำแหน่งที่คุณต้องการในระดับอะตอมตลอดความยาวของเวเฟอร์” David Awschalomนักฟิสิกส์เรื่องย่อจากมหาวิทยาลัยชิคาโกอธิบาย

แนวทาง “ล่างขึ้นบน”กลุ่มของ Awschalom ได้ร่วมมือกับนักวิจัยที่นำโดยนักเคมีDanna Freedmanจาก Northwestern University เพื่อมุ่งเน้นไปที่วิธีการ “จากล่างขึ้นบน” เพื่อสร้างคริสตัลที่มีศูนย์ปั่นที่เหมาะสม แทนที่จะฝังศูนย์ปั่นลงในคริสตัลที่มีอยู่ พวกเขานำโมเลกุลที่ประกอบด้วย หมุนศูนย์และตกผลึกมัน “คุณถือเอาว่าทุกโมเลกุลในยาเม็ดแอสไพรินเหมือนกัน” ฟรีดแมนอธิบาย 

อย่างไรก็ตาม ความท้าทายทางเทคโนโลยี

คือการที่ไม่มีใครประสบความสำเร็จในการผลิตคริสตัลโมเลกุลที่มีสปินซึ่งสามารถจัดการและอ่านด้วยลำแสงเลเซอร์ได้ตอนนี้ Awschalom, Freedman และเพื่อนร่วมงานได้สังเคราะห์สารประกอบที่แตกต่างกันสามชนิดซึ่งประกอบด้วยไอออนของโครเมียม (IV) ที่ประสานกับอะริลลิแกนด์ ตัวอย่างผลลัพธ์ของโมเลกุลออร์แกโนเมทัลลิกแต่ละตัวมีพฤติกรรมคล้ายกับศูนย์ NV แม้ว่าจะมีความถี่เลเซอร์ต่างกัน Awschalom กล่าวว่า “คุณกระตุ้น qubit 

ให้อยู่ในสถานะที่ผ่อนคลายอย่างรวดเร็วในสถานะ metastable แล้วปล่อยโฟตอน” Awschalom กล่าว “จากมุมมองของเราในที่สุดพัลส์ของแสงจะเริ่มต้นระบบเป็นสถานะที่สามารถปล่อยโฟตอนได้หนึ่งโฟตอน ซึ่งโพลาไรซ์สะท้อนถึงการหมุนของระบบ นั่นคือส่วนต่อประสานสปินโฟตอน qubit”

กระบวนการทั้งหมดนี้สร้าง qubit โมเลกุลเดี่ยวอย่างมีประสิทธิภาพ ในปัจจุบัน นักวิจัยกำลังทำงานร่วมกับกลุ่ม qubits ที่เชื่อมโยงกัน แต่พวกเขากำลังดำเนินการเพื่อให้บรรลุความไวของโมเลกุลเดี่ยว เนื่องจากสถานะควอนตัมโมเลกุลเดี่ยวจะมีเวลาเชื่อมโยงกันนานกว่า

ประตูควอนตัมออปติคัลทีมงานหวังว่าด้วยการเชื่อมต่อเอาต์พุตของ qubit หนึ่งเข้ากับอินพุตของอีกเครื่องหนึ่ง อาจเป็นไปได้ที่จะสร้างประตูควอนตัมออปติคัลและวงจรควอนตัมโดยใช้ระบบของพวกเขา ในระยะสั้น Awschalom กล่าว พวกเขาวางแผนที่จะสร้างอินเทอร์เฟซระหว่าง qubits ของพวกเขาโดยใช้ photonics แบบบูรณาการ ความเป็นไปได้ที่ทะเยอทะยานและยาวนานกว่าอาจเป็นการสร้างทางหลวงโฟโตนิกโดยการประกอบตัวเองด้วยสารเคมี

“นี่เป็นการเปิดพรมแดนใหม่สำหรับสิ่งที่นักเรียน

ชอบเรียกว่านักออกแบบ qubits” เขากล่าว “ตอนนี้คุณสามารถจินตนาการถึงสิ่งต่างๆ มากมายที่อาจเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างมากด้วยเทคนิคอื่นๆ ซึ่งคุณถูกจำกัดโดยตระกูลวัสดุ…แต่ เพราะคุณกำลังทำอาหารอยู่ (วัสดุ) คุณสามารถจินตนาการถึงการผสมผสานความทรงจำ ระบบที่ออกแบบมาให้พันกันแน่นหนา ฉันคิดว่าท้องฟ้ามีขีดจำกัดสำหรับทั้งการประมวลผลและการรับรู้”

เคล็ดลับเสียงที่ดีทำให้สถานะควอนตัมมีอายุยืนขึ้นFreedman กล่าวเสริมว่า “ในวงกว้าง วิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมเป็นความท้าทายหลายทศวรรษ มีพื้นที่มากมายที่จะได้รับผลกระทบจากการค้นพบวัสดุใหม่ๆ ดังนั้นจึงมีทั้งงานที่ต้องทำและความสนุกสนานมากมายที่ต้องทำ”

สตีเฟน ฮิลล์ จาก National High Field Magnet Laboratory แห่งมหาวิทยาลัยแห่งรัฐฟลอริดา ให้ความเห็นเกี่ยวกับงานนี้ว่า “วัสดุระดับโมเลกุลมีแนวโน้มที่ดีในฐานะ qubits ที่มีศักยภาพสำหรับการคำนวณด้วยควอนตัม แต่พื้นที่นั้นล้าหลังบางส่วนของพื้นที่ที่โตเต็มที่ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะคุณสมบัติหลักบางประการ ไม่ได้รับการพิสูจน์ [งาน] นี้แสดงให้เห็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักเหล่านั้น ฉันคิดว่าผลลัพธ์นั้นไม่ได้น่าประหลาดใจมากนัก แต่มันน่าตื่นเต้นสำหรับสนามที่มันได้ก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในการแสดงสิ่งนี้จริงๆ”

การจับคู่เฟสของกระแสน้ำวนนี้ช่วยให้ปลาที่ติดตามสามารถใช้ประโยชน์จาก “กระแสน้ำวน Kármán” – กระแสน้ำวนที่หมุนวนซึ่งไหลออกจากวัตถุทื่อขณะเดินทางผ่านของเหลว – ซึ่งปลาผู้นำจะปล่อยทิ้งไว้ในยามตื่น ผลที่ได้คือการใช้พลังงานของผู้ติดตามลดลง แต่สมาชิกในทีมMáté Nagyแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งฮังการีและมหาวิทยาลัย Eötvös ตั้งข้อสังเกตว่าไม่ใช่แค่การประหยัดพลังงานเท่านั้น “ด้วยการเปลี่ยนวิธีการซิงโครไนซ์ ผู้ติดตามยังสามารถใช้กระแสน้ำวนที่ปลาอื่นๆ หลั่งออกมาเพื่อสร้างแรงผลักดันและช่วยให้พวกมันเร่งความเร็วได้” เขาอธิบาย

เพื่อค้นหาว่าปลาจริงใช้การจับคู่เฟสของกระแสน้ำวนด้วยหรือไม่ Couzin และเพื่อนร่วมงานได้ทำการสังเกตปลาทอง 32 คู่ที่ว่ายน้ำอย่างอิสระ ในขณะที่ปลาจริงเปลี่ยนตำแหน่งสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าพวกเขายังคงใช้ปฏิสัมพันธ์ทางอุทกพลศาสตร์ที่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายที่รวมความเร็วของการว่ายน้ำและแอมพลิจูดและความถี่ของ tailbeats ของผู้นำ แบบจำลองนี้ Couzin บอกกับPhysics Worldว่า จากนั้นจึงใช้เพื่อคาดการณ์ว่าปลาจริงจะมีพฤติกรรมอย่างไรหากพวกมันใช้การจับคู่เฟสของกระแสน้ำวน และทดสอบโดยใช้การวิเคราะห์ท่าทางร่างกายของปลาทองที่ว่ายน้ำด้วยกันโดยใช้ปัญญาประดิษฐ์ช่วย

Credit : brewguitarduo.com buckeyecountry.net buickturboperformance.com bushpain.com capemadefieldguide.org