Физики приблизились к созданию молекулярных квантовых устройств

Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) продемонстрировали один из самых точных на сегодня способов управления отдельной молекулой. Им удалось контролировать вращательное состояние молекулярного иона моногидрида кальция (CaH⁺) с вероятностью успеха 99,8%. Результат открывает новые возможности для квантовых вычислений, прецизионной химии и поиска эффектов за пределами современной физики.

В чем сложность управления молекулами

В квантовых экспериментах атомы считаются относительно простыми объектами. У них есть ограниченное число устойчивых энергетических состояний, которые хорошо изучены и легко контролируются.

Молекулы гораздо сложнее. Они не только имеют электронные уровни, как атомы, но и могут вращаться и «дрожать», словно миниатюрные гантели на пружинах. Каждый такой тип движения добавляет новые варианты поведения. В результате у одной молекулы возникают тысячи возможных состояний, и она может самопроизвольно перескакивать между ними, что сильно усложняет управление.

«Чтобы контролировать частицу, нам нужно точно определить ее состояние. Молекула может находиться в большом количестве состояний из-за своего вращения и колебаний», — объясняет ведущий автор работы Далтон Чаффи.

По его словам, именно эта сложность долгое время делала молекулы практически недоступными для точного квантового контроля.

Ион-наблюдатель и квантовая «пружина»

Для решения проблемы команда применила метод квантовой логической спектроскопии, ранее разработанный для сверхточных атомных часов. Суть подхода в том, что состояние «трудной» частицы считывается через более удобный для наблюдения объект.

В эксперименте ученые поместили молекулу CaH⁺ в ловушку вместе с ионом кальция Ca⁺. Оба они имеют одинаковый положительный заряд, поэтому отталкиваются друг от друга — примерно как два магнита с одинаковыми полюсами. Из-за этого они движутся синхронно, словно соединенные невидимой пружиной.

Сама молекула плохо «отзывается» на лазеры, поэтому напрямую управлять ею сложно. Зато ион кальция легко охлаждать и наблюдать с помощью света. Ученые использовали его как посредника: охлаждали и отслеживали кальций, а вместе с ним под контроль попадала и молекула.

Зачем нужно охлаждение

Лазеры замедляют движение иона кальция почти до абсолютного нуля. Через «квантовую пружину» охлаждение передается и молекуле. Это критически важно, подчеркивает аспирантка Эйприл Шеффилд: в холодной среде молекула сохраняет свое вращательное состояние примерно 18 секунд — в десять раз дольше, чем при комнатной температуре.

Такой интервал кажется коротким, но в квантовой физике он огромен. За это время исследователи могут провести тысячи измерений одного и того же состояния, проверяя его стабильность и управляемость.

Как фиксируют квантовые переходы

После охлаждения ученые направляют лазер на молекулу, меняя ее вращение. Саму молекулу увидеть невозможно, но изменение ощущает ион кальция. Он реагирует короткой вспышкой света, фиксируемой камерой. Когда молекуле дают команду вернуться в исходное состояние, ион снова вспыхивает.

Эта двойная вспышка соответствует двум квантовым переходам.

«Это квантовая механика в чистом виде. Мы буквально видим квантовое состояние иона с помощью камеры», — говорит исследователь NIST Барух Маргулис.

Если тепловое излучение среды переводит молекулу в другое состояние, вспышки прекращаются. Это происходит почти мгновенно, примерно за 10 миллисекунд, позволяя точно отследить момент потери контроля.

Надежность и значение результата

Одного наблюдения недостаточно, поэтому команда многократно повторяла эксперимент. В 998 случаях из 1000 результат совпадал с ожидаемым, что подтверждает уровень контроля 99,8 процента. Такой показатель ранее был доступен в основном для одиночных атомов, но не для молекул.

Ученые отмечают, что молекулы могут стать ключевыми элементами будущих квантовых технологий. В отличие от атомов, они обладают более богатой внутренней структурой и способны кодировать больше информации в одном объекте. Это позволяет рассматривать молекулы как кандидатов для более мощных и гибких квантовых вычислительных систем.

Кроме того, управляемые молекулы открывают путь к точной настройке химических реакций на уровне отдельных связей между атомами, что важно для создания лекарств, катализаторов и новых материалов. Наконец, высокая чувствительность молекул к слабым физическим воздействиям делает их ценным инструментом для экспериментов, направленных на проверку фундаментальных законов природы и поиск эффектов за пределами известных теорий.