Sorprendentemente, un equipo de físicos de la Universidad de Princeton ha podido unir moléculas individuales para crear un estado especial de "entrelazamiento" mecánico cuántico. En estos estados exóticos, estas moléculas permanecen asociadas entre sí y pueden interactuar simultáneamente, incluso si están a kilómetros de distancia, o incluso si ocupan extremos opuestos del universo. La investigación se publica en el último número de la revista Science.


Miembro del equipo de investigación de la Universidad de Princeton. De izquierda a derecha están el profesor asistente Lawrence Cheuk del Departamento de Física, Yukai Lu, estudiante de posgrado del Departamento de Ingeniería Eléctrica, y Connor Holland, estudiante de posgrado del Departamento de Física. Fotografía: Richard Soden, Departamento de Física

"Este es un gran avance en el mundo molecular debido a la importancia fundamental del entrelazamiento cuántico", afirmó Lawrence Cheuk, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton y autor principal del artículo. "Pero también es un gran avance para aplicaciones prácticas, ya que las moléculas entrelazadas podrían convertirse en los componentes básicos de muchas aplicaciones futuras.

Por ejemplo, estas computadoras pueden resolver ciertos problemas más rápido que las computadoras tradicionales, los simuladores cuánticos pueden simular materiales complejos cuyo comportamiento es difícil de modelar y los sensores cuánticos pueden realizar mediciones más rápido que las computadoras tradicionales.

"Una de las motivaciones para hacer ciencia cuántica es que, en el mundo real, resulta que puedes hacerlo mejor en muchas áreas si explotas las leyes de la mecánica cuántica", dijo Connor Holland, estudiante de posgrado en el Departamento de Física.

La capacidad de los dispositivos cuánticos para superar a los dispositivos clásicos se denomina "ventaja cuántica". En el corazón de la ventaja cuántica se encuentran los principios de superposición y entrelazamiento cuántico. Mientras que los bits de computadora clásicos pueden asumir el valor de 0 o 1, los bits cuánticos llamados qubits pueden estar en una superposición de 0 y 1 al mismo tiempo.

Este último concepto, el entrelazamiento, es una piedra angular importante de la mecánica cuántica. Esto ocurre cuando dos partículas están inextricablemente unidas entre sí, de modo que la conexión permanece incluso si una partícula está a años luz de la otra. Albert Einstein inicialmente cuestionó su validez y describió el fenómeno como "un comportamiento espeluznante a distancia". Desde entonces, los físicos han demostrado que el entrelazamiento es, de hecho, una descripción precisa del mundo físico y la estructura de la realidad.

"El entrelazamiento cuántico es un concepto fundamental", dijo Cheuk, "pero también es un factor clave para dar ventaja cuántica.

Pero establecer una ventaja cuántica y lograr un entrelazamiento cuántico controlable sigue siendo un desafío, sobre todo porque los ingenieros y científicos aún no saben qué plataforma física es la más adecuada para crear qubits. En las últimas décadas, se han explorado muchas tecnologías diferentes (como iones atrapados, fotones, circuitos superconductores y más) como candidatas para computadoras y dispositivos cuánticos. El sistema cuántico o plataforma qubit óptimo probablemente dependerá de la aplicación específica.

Sin embargo, hasta este experimento, las moléculas habían desafiado durante mucho tiempo el entrelazamiento cuántico controlable. Pero Cheuk y sus colegas encontraron una manera de controlar moléculas individuales y llevarlas a estos estados cuánticos entrelazados mediante una cuidadosa manipulación en el laboratorio. También creen que las moléculas tienen ciertas ventajas, como las comparadas con los átomos, que las hacen particularmente adecuadas para determinadas aplicaciones en el procesamiento de información cuántica y simulaciones cuánticas de materiales complejos. Por ejemplo, las moléculas tienen más grados de libertad cuánticos que los átomos y pueden interactuar de nuevas formas.

"En términos prácticos, esto significa que hay nuevas formas de almacenar y procesar información cuántica", afirmó Yukai Lu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y coautor del artículo. "Por ejemplo, una molécula puede vibrar y girar en múltiples modos. Así que puedes codificar un qubit usando dos de esos modos. Si las especies moleculares son polares, entonces dos moléculas pueden interactuar incluso cuando están separadas espacialmente.

Aún así, las moléculas han resultado difíciles de controlar en el laboratorio debido a su complejidad. La libertad que los hace atractivos también los hace difíciles de controlar o cercar en entornos de laboratorio. Cheuk y su equipo abordaron muchos de estos desafíos con un experimento reflexivo que involucraba una plataforma experimental compleja llamada "matriz de pinzas", en la que las moléculas individuales son captadas por un complejo sistema de rayos láser estrechamente enfocados, las llamadas "pinzas ópticas".

"El uso de moléculas para la ciencia cuántica es una nueva frontera, y nuestra demostración del entrelazamiento bajo demanda es un paso crítico para demostrar que las moléculas pueden usarse como plataformas viables para la ciencia cuántica", dijo Cheuk.

En otro artículo publicado en el mismo número de Science, un equipo de investigación independiente dirigido por John Doyle y Kang-Kuen Ni de la Universidad de Harvard y Wolfgang Ketterle del MIT logró resultados similares.

"El hecho de que obtuvieran los mismos resultados valida la confiabilidad de nuestros resultados", afirmó Cheuk. "También muestran que los conjuntos de pinzas moleculares están surgiendo como una nueva e interesante plataforma para la ciencia cuántica.

"Enredo bajo demanda de matriz de pinzas ópticas reconfigurables de moléculas", en coautoría con Connor M. Holland, Yukai Lu y Lawrence W. Cheuk, se publicó en Science el 8 de diciembre de 2023 (DOI: 10.1126/science.adf4272). Este trabajo fue apoyado por la Universidad de Princeton, la Fundación Nacional de Ciencias (2207518) y la Fundación Sloan (FG-2022-19104).