工程师为我们的量子未来设计分子

编者按：这个故事是“遇见芝加哥人”的一部分，这是一个定期系列，重点关注使芝加哥大学成为一个独特的知识分子社区的人们。在此处阅读有关其他内容的信息。

科学探究的范围很广，从哲学问题——“什么是信息？——对平庸的话——“我把那把内六角扳手放在哪里了？

对于芝加哥大学的研究生克洛伊·瓦沙博（Chloe Washabaugh）来说，这一切都充满了快乐。作为量子工程专业的博士生，Washabaugh将分子设计成微型量子信息处理器，设计它们来感知、发送或存储数据——无论需要什么。

作为一名分子工程师和Q-NEXT的合作者，Q-NEXT是由美国能源部阿贡国家实验室领导的美国能源部（DOE）国家量子信息科学研究中心，Washabaugh开始探索信息的本质，这个谜题首先吸引了她进行量子研究。什么是信息的基础？它是如何表达的？我们如何操纵分子来处理它？

Washabaugh正在为本世纪最大的科学进步之一做出贡献：量子信息工程。通过对原子级物质的特定特征对数据进行编码，科学家们正在彻底改变信息技术。在未来的几十年里，量子技术有望突破医疗保健、金融和通信领域的发展。

这是一种全新的数字信息管理方式。今天的技术将信息呈现为二进制代码（0 或 1），可以翻译为“那里有电子，还是那里没有电子？Washabaugh说。另一方面，量子技术更充分地利用了电子。

“电子可以做的事情不仅仅是存在或不存在，”她说。“这就是量子信息。这是利用这些量子力学物体固有的自由度。

量子比特的定制

Washabaugh 帮助构建可以用作量子比特（量子信息载体）的定制分子。

在量子比特类型的家谱中，分子量子比特是一个相对年轻的分支，只开发了十年左右。该研究的新颖性和技术的多功能性使其成为 Washabaugh 的一个有吸引力的追求。

“分子量子比特的工程设计方式在如何使用它们方面具有很大的灵活性，”她说。“而且他们的发展还很年轻，你还不知道他们会擅长什么。这就是为什么我很高兴能从事这项工作。

她的团队的量子比特由一个中心金属原子组成——她称之为“量子比特的超级明星”——连接到由碳或氧等原子组成的辐射分支。该团队调整分支的类型和数量，以针对不同用途调整量子比特的性能。

“这有点像萨维尔街的裁缝：’我们想要这个功能和那个功能，以便探索这个物理学和那个物理学，’”Washabaugh说。哪些分子在量子传感应用或量子通信应用方面具有更好的特性？原则上，我们可以设计一个为任何用途量身定制的量子比特。

该小组的专长是在光的光学范围内相互作用的量子比特，使其与传感和通信的广泛应用兼容。

这种努力是真正的合作。Washabaugh和她的同事是芝加哥大学小组的成员，该小组由Q-NEXT主任和Liew家族分子工程教授David Awschalom领导。该团队与麻省理工学院的一个实验室联手，该实验室由Danna Freedman教授领导，她也是Q-NEXT的一员。

这两个小组享有阴阳互补性：Freedman的团队合成分子，而Awschalom的团队使用先进的技术来探测量子比特并探索驱动其性能的潜在物理学。

“这是物理学家、化学家和材料科学家之间一个非常酷的反馈循环，可以开发这个分子平台来构建良好的量子比特，”Washabaugh说。

从 Bob the Builder 到 Chloe the Encoder

童年的万圣节预示着 Washabaugh 成为一名工程师的未来。三岁时，她打扮成建造者鲍勃。这套服装与她小学时对技术项目的热爱相吻合，尽管她确实记得自己还是个中学生，“当我开始学习代数时，她哭了，基本上发脾气。但是一旦我想通了，数学就开始对我有意义了，“她说。