Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) совершили прорыв в управлении отдельными молекулами, продемонстрировав возможность точного контроля вращательного состояния моногидрида кальция (CaH⁺). Их достижение, обеспечивающее контроль с точностью до 99,8 %, открывает новые перспективы для квантовых вычислений, точного химического синтеза и фундаментальных физических исследований.
Сложности управления молекулярными системами
Атомы, обычно используемые в квантовых экспериментах, являются относительно простыми объектами с ограниченным числом энергетических состояний, которые хорошо изучены и поддаются контролю. В отличие от этого, молекулы обладают более сложной структурой. Они характеризуются не только электронными уровнями, но и способностью к вращению и колебаниям, что приводит к возникновению множества возможных состояний и спонтанным переходам между ними. Это значительно усложняет задачу квантового управления молекулами.
Далтон Чаффи, ведущий автор исследования, отмечает, что для точного контроля молекулы необходимо определить её квантовое состояние. Вращение и колебания приводят к тому, что молекула может находиться в большом количестве состояний, что долгое время являлось препятствием для достижения высокой степени квантового контроля.
Использование ионов-наблюдателей и квантовой «пружины»
Для решения этой проблемы исследователи применили метод квантовой логической спектроскопии, ранее использовавшийся в сверхточных атомных часах. Этот метод позволяет эффективно считывать состояние сложной молекулы через удобный для наблюдения объект — ион кальция (Ca⁺), который взаимодействует с молекулой CaH⁺.
В эксперименте молекула CaH⁺ помещалась в ловушку рядом с ионом кальция, обладающим аналогичным положительным зарядом. Это создавало эффект «квантовой пружины», благодаря которому охлаждение и управление ионом кальция распространялись на молекулу.
Молекула CaH⁺ плохо реагирует на лазерное излучение, затрудняя её прямое управление. В то же время ион кальция легко охлаждается и наблюдается с помощью света. Учёные использовали его как посредника: контролируя ион кальция, они косвенно управляли молекулой.
Влияние охлаждения на стабилизацию системы
Применение лазерного охлаждения позволило замедлить движение иона кальция почти до абсолютного нуля, значительно уменьшив тепловые флуктуации. Через «квантовую пружину» это состояние переходило к молекуле, обеспечивая её сохранение в определённом вращательном состоянии. Эйприл Шеффилд, аспирантка, работавшая над проектом, отметила, что в холодной среде молекула сохраняла своё состояние около 18 секунд, что в десять раз дольше, чем при комнатной температуре. Это время важно для проведения многочисленных измерений.
Обнаружение квантовых переходов с помощью ионной детекции
После охлаждения молекула CaH⁺ подвергалась воздействию лазера, что изменяло её вращательное состояние. Визуально это невозможно наблюдать, но ион кальция реагировал на изменения короткими вспышками света, фиксируемыми камерой. Возвращение молекулы в исходное состояние сопровождалось повторной вспышкой.
Эти вспышки соответствовали двум различным квантовым состояниям системы. Барух Маргулис из NIST отметил, что фактически квантовое состояние иона наблюдалось через камеру. Тепловое излучение, вызывающее спонтанный переход молекулы в другое состояние, мгновенно прекращало вспышки, что позволяло точно определить момент потери контроля.
Надёжность и значимость результата
Многократное повторение эксперимента показало, что результаты совпадали с ожидаемыми в 998 из 1000 случаев, подтверждая высокую степень контроля над молекулой (99,8 %). Это достижение является значительным шагом вперёд, поскольку ранее подобная точность была характерна только для управления одиночными атомами, а не молекулами.
Учёные подчёркивают, что молекулы могут стать основой будущих квантовых технологий благодаря своей сложной структуре и способности кодировать большое количество информации. Это делает их перспективными для создания мощных и гибких квантовых вычислительных систем.
Управляемые молекулы также открывают новые возможности для точной настройки химических реакций на уровне отдельных связей, что важно для разработки новых лекарств, катализаторов и материалов. Высокая чувствительность молекул к слабым физическим воздействиям делает их эффективными инструментами для проверки фундаментальных законов природы и поиска новых физических эффектов.