Onderzoekers verzinnen moleculen die speciaal geschikt zijn voor gebruik als kwantumbits of sensoren
Een molecuul met een centraal chroomion (paars) kan dienen als een kwantumbit, dat informatie codeert in de richting van zijn rotatie (aangegeven door de pijl in deze illustratie). Bijgevoegde atomen (grijs) veranderen de eigenschappen van het ion, waardoor het kan worden gemanipuleerd door een laser (paarse kronkel) en als reactie daarop licht kan uitzenden (rode kronkel).
Quantumbits gemaakt van “designermoleculen” komen in de mode. Door de samenstelling van moleculen zorgvuldig af te stemmen, creëren onderzoekers chemische systemen die geschikt zijn voor een verscheidenheid aan kwantumtaken.
“Het vermogen om moleculen te controleren … maakt ze gewoon een mooi en geweldig systeem om mee te werken”, zegt Danna Freedman, een chemicus aan de Northwestern University in Evanston, Illinois. “Moleculen zijn de beste.” Freedman beschreef haar onderzoek 8 februari tijdens de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science, online gehouden.
Quantumbits, of qubits, zijn analoog aan de bits die in conventionele computers worden aangetroffen. Maar in plaats van te bestaan ​​in een toestand van 0 of 1, zoals standaardbits doen, kunnen qubits beide waarden tegelijkertijd bezitten, waardoor nieuwe soorten berekeningen mogelijk zijn die onmogelijk zijn voor conventionele computers.
Naast hun potentiële gebruik in kwantumcomputers, kunnen moleculen ook dienen als kwantumsensoren, apparaten die extreem gevoelige metingen kunnen doen, zoals het uitzoeken van minuscule elektromagnetische krachten (SN: 23/03/18).
In de qubits van Freedman en collega’s zit een enkel chroomion, een elektrisch geladen atoom, in het midden van het molecuul. De waarde van de qubit wordt weergegeven door de elektronische spin van dat chroomion, een maat voor het impulsmoment van zijn elektronen. Extra groepen atomen zijn aan het chroom gehecht; door enkele van de atomen in die groepen uit te wisselen, kunnen de onderzoekers de eigenschappen van de qubit veranderen om de werking ervan te veranderen.
Onlangs hebben Freedman en collega’s moleculen gemaakt om in één specifieke behoefte te voorzien: moleculair qubits die reageren op licht. Lasers kunnen de waarden van de qubits instellen en helpen bij het uitlezen van de resultaten van berekeningen, rapporteerden de onderzoekers op 11 december. Wetenschap. Een andere mogelijkheid zou kunnen zijn om moleculen te maken die biocompatibel zijn, zegt Freedman, zodat ze kunnen worden gebruikt voor het detecteren van omstandigheden in levend weefsel.
Moleculen hebben nog een speciale aantrekkingskracht: ze zijn allemaal precies hetzelfde. Veel soorten qubits zijn gemaakt van stukjes metaal of ander materiaal die op een oppervlak zijn afgezet, wat resulteert in kleine verschillen tussen qubits op atomair niveau. Maar door chemische technieken te gebruiken om atoom voor atoom moleculen op te bouwen, zijn de qubits identiek, wat zorgt voor beter presterende apparaten. “Dat is iets heel krachtigs aan de bottom-upbenadering die chemie biedt,” zei Freedman.
Wetenschappers gebruiken al individuele atomen en ionen in kwantumapparaten (SN: 29/06/17), maar moleculen zijn ingewikkelder om mee te werken, dankzij hun vele bestanddelen. Als gevolg hiervan zijn moleculen een relatief nieuwe kwantumbron, zei Caltech-natuurkundige Nick Hutzler tijdens de bijeenkomst. “Mensen weten niet eens echt wat je ermee kunt doen [molecules] toch … Maar mensen ontdekken elke dag nieuwe dingen. “
