Projektowane molekuły zamiast atomów. To odkrycie zmieni komputery kwantowe
Niemiecki startup NVision Imaging Technologies, który zaczynał od rewolucjonizowania obrazowania medycznego MRI, ogłosił zebranie 55 mln dolarów na rozwój nowej platformy kwantowej. W niedawno opublikowanym badaniu naukowcy wykazali pierwszą w historii optyczną kontrolę nad informacją kwantową w pojedynczej cząsteczce karbenu. Odkryli oni, że precyzyjnie projektowane molekuły utrzymują stan kwantowy dłużej niż konkurencyjne układy nadprzewodzące i mogą stanowić przełomową, łatwiejszą w skalowaniu alternatywę dla dotychczasowych kubitów opartych na atomach i jonach.
W skrócie
- Naukowcy po raz pierwszy uzyskali optyczną kontrolę nad informacją kwantową w pojedynczej cząsteczce karbenu, co pozwoliło utrzymać stan kwantowy dłużej niż w tradycyjnych kubitach.
- Firma NVision Imaging Technologies zebrała 55 mln dolarów na rozwój platformy kwantowej opartej na specjalnie projektowanych molekułach.
- Nowo opracowana metoda umożliwiła kontrolę i odczyt stanów kwantowych pojedynczych cząsteczek, co może ułatwić skalowanie przyszłych komputerów kwantowych.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Od skanera MRI do komputera kwantowego. Niezwykłe odkrycie NVision
Niemiecka firma NVision Imaging Technologies, która w 2015 r. postawiła sobie za cel zrewolucjonizowanie obrazowania medycznego metodą rezonansu magnetycznego przy pomocy fizyki kwantowej, dokonała zaskakującego zwrotu w swojej działalności. Współzałożyciel startupu, Ilai Schwartz, początkowo wykorzystywał diamenty do polaryzacji malutkich pól magnetycznych markerów molekularnych wstrzykiwanych do tkanek pacjentów w celu wzmocnienia sygnału skanerów MRI. Z czasem firma zrezygnowała z diamentów na rzecz innych cząsteczek polaryzujących, co pozwoliło zwiększyć sygnał nawet 100 tys. razy.
W trakcie tych prac badacze odkryli, że jedna z grup cząsteczek organicznych wyróżnia się wyjątkowo czystymi i stabilnymi właściwościami kwantowymi. Skłoniło to Schwartza do zadania pytania: "Czy możemy z tym zrobić coś większego?". Badacze uzmysłowili sobie, że ich dotychczasowy polaryzator MRI jest w gruncie rzeczy słabym komputerem kwantowym.
W efekcie NVision podjęło próbę stworzenia znacznie lepszego urządzenia. Firma ogłosiła właśnie pozyskanie 55 mln dolarów nowego dofinansowania oraz opublikowała badanie w serwisie arXiv. Opisuje ono podwaliny molekularnego komputera kwantowego wykorzystującego zaprojektowaną i kontrolowaną przez zespół pojedynczą cząsteczkę karbenu, zawierającą atom węgla z niesparowanymi elektronami. Naukowcy użyli tych elektronów do przechowywania informacji kwantowych, którymi następnie manipulowali i odczytywali za pomocą światła.
Projekt ten jest wprawdzie daleki od funkcjonalnego, wielkoskalowego komputera kwantowego, jednak pokazuje on, jak specjalnie zaprojektowane cząsteczki (ang. designer molecules) mogą rzucić wyzwanie do tej pory ugruntowanym platformom kwantowym, opartym na tradycyjnych kubitach, takich jak atomy, obwody nadprzewodzące czy jony w pułapkach.
Zobacz również:
Kubity oparte na projektowanych molekułach ujawniły spory potencjał
Klasyczne komputery oparte na krzemie przechowują informacje w miliardach elektronicznych przełączników, czyli bitów, które mogą przyjmować stan włączenia (1) lub wyłączenia (0). Jest to tzw. system binarny (dwójkowy). Komputery kwantowe zamiast tego wykorzystują kubity, które mogą istnieć w jednoczesnych mieszaninach stanów 0 i 1, co może radykalnie przyspieszyć niektóre obliczenia.
Twórcy maszyn kwantowych rozwijają różne rodzaje kubitów - od neutralnych atomów i jonów po wyspecjalizowane obwody nadprzewodzące. Wiodące procesory są wciąż stosunkowo małe, choć jak odnotowywaliśmy już w GeekWeeku, wykazują one pewną przydatność dla nauki. Kubity są ponadto niezwykle delikatne, a szum otoczenia często powoduje ich niszczenie, nawet w ultrachłodnych, ekranowanych środowiskach.
Jedną ze stabilniejszych alternatyw było kodowanie informacji kwantowych w defektach diamentu, czyli lukach w krysztale węgla, gdzie mogą kryć się elektrony. Naukowcy używają laserów do manipulowania spinami tych elektronów i odczytywania ich stanu poprzez emitowane światło. Defekty te są odporne na szum, co pozwala kubitom przetrwać dłużej i w wyższych temperaturach. Są one jednak trudne do uporządkowania w kontrolowany system. "Nie możesz tak po prostu umieścić jednego tu, a drugiego tam. Bardzo trudno jest zbudować z nich większy system" - skomentował Martin Plenio, fizyk z Uniwersytetu w Ulm i współzałożyciel NVision.
Firma opracowała więc nowe podejście. Teraz zamierza syntetyzować cząsteczki zdolne do przechowywania informacji w spinie jądra lub elektronu walencyjnego konkretnego atomu wewnątrz molekuły, co pomaga osłonić kubit przed szumem. Poprzez modyfikowanie położenia pobliskich atomów i siły ich wiązań - w czym specjalizują się chemicy farmaceutyczni - naukowcy mogą dostosowywać właściwości kubitu, takie jak częstotliwość i jasność emitowanego światła.
Molekularne filmy mogłyby być drukowane na chipach w celu naprowadzania emitowanego światła, ułatwiając łączenie, czyli splątywanie wielu kubitów. Mario Ruben, chemik z Instytutu Technologii w Karlsruhe, zauważa, że podejście to pozwala wykorzystać całe instrumentarium przemysłu farmaceutycznego do projektowania cząsteczek interesujących pod kątem czujników kwantowych. "Przestrzeń syntetyczna jest praktycznie nieskończona" - dodaje.
"Idealnie dobraną cząsteczka". Zastąpi tradycyjne nośniki informacji kwantowej?
Mario Ruben wraz z zespołem już w 2014 r. zapoczątkował pracę nad tą metodą optyczna. Badacze odczytywali spiny jądrowe w cząsteczce lantanowca za pomocą miniaturowych przewodów elektronicznych, jednak technika ta nie pozwalała na skalowanie w celu spójnego przesyłania informacji kwantowych. Do 2020 r. zespół z Uniwersytetu w Chicago pod kierownictwem Sama Baylissa zdołał odczytać spiny elektroniczne cząsteczek poprzez emitowane światło, co stanowiło bardziej praktyczny sposób na odczyt i splątywanie kubitów.
W tamtym przypadku sygnały pochodziły jednak z zespołów milionów cząsteczek organometalicznych działających wspólnie. Badacze mogli wykryć jedynie średnie zachowanie grupy, ale nie potrafili zainicjować, manipulować ani odczytać stanu kwantowego pojedynczej molekuły.
Obecnie naukowcy z NVision donoszą już o pierwszej optycznej kontroli informacji kwantowej w pojedynczej molekule. Umieścili oni cząsteczkę prekursorową wewnątrz kryształu gospodarza z ketonu, schłodzili ją, a następnie naświetlili, tworząc karben, którego wolne elektrony posiadają programowalne spiny. Ilai Schwartz określił rezultat jako idealnie dobraną cząsteczkę, której spin utrzymuje się przez ponad 2 milisekundy w temperaturze 4 kelwinów (-259,15 °C), co stanowi wynik dłuższy niż w wielu konkurencyjnych podejściach, choć nie rekordowy.
Nathalie de Leon, fizyczka z Uniwersytetu Princeton, która ma na koncie wytwarzanie wiodących na świecie kubitów nadprzewodzących wytrzymujących ok. 1 milisekundy (pracuje m.in. nad rozwiązaniami dla Google), uznaje to za imponujące, przy czym wskazuje, że kluczowa będzie łatwość, z jaką NVision zdoła splątać wiele kubitów w obwodach zdolnych do wykonywania operacji logicznych.
Ponieważ kubity nieuchronnie kumulują błędy wywołane szumem, kluczowe dla startupu będzie stworzenie mechanizmu korekcji błędów, który wyprzedzi tempo ich powstawania. Ale zdaniem ekspertów są już na dobrej drodze. "Pokazali, że można latać" - skwitowała de Leon. "Teraz chcemy samolotu, który przeniesie nas przez Ocean Atlantycki".
Źródła:
- Roggors S., Unden T., Aubele A. et al. A Single-Molecule Spin-Photon Interface. arXiv (2026). DOI: 10.48550/arXiv.2605.10077
- Savitsky Z. Molecules emerge as a new kind of building block for quantum computers. Science (2026). DOI: 10.1126/science.z6brp0i
