Когда молекулы начинают говорить: квантовый эксперимент, который перевернул науку

Недавний эксперимент, проведенный физиками из Национального института стандартов и технологий США (NIST), открыл новые горизонты для квантовых вычислений и прецизионной химии.

Исследователи продемонстрировали один из самых точных методов управления молекулой на сегодняшний день, сумев контролировать вращение молекулярного иона моногидрида кальция (CaH⁺) с невероятной точностью — 99,8%. Этот прорыв может оказать огромное влияние на развитие технологий, которые лежат в основе квантовых вычислений и химии будущего.

Почему управление молекулами — это такая сложная задача?

В мире квантовых экспериментов атомы считаются относительно простыми объектами. Каждый атом может существовать в ограниченном количестве стабильных энергетических состояниях, которые хорошо изучены и легко контролируемы. Молекулы, в свою очередь, гораздо сложнее: помимо электронных уровней, они могут вращаться и колебаться. Подобные движения, как бы миниатюрные они ни были, открывают массу новых вариантов поведения молекул, что делает их управление куда более сложным.

"Для того чтобы контролировать частицу, нужно точно определить её состояние. Однако молекулы могут находиться в огромном количестве состояний из-за своего вращения и колебаний", — рассказывает ведущий автор исследования Далтон Чаффи.

Именно эта сложность долгое время не позволяла использовать молекулы для точного квантового контроля.

Как ученые решали эту проблему?

Команда ученых использовала метод квантовой логической спектроскопии, который был разработан для сверхточных атомных часов. Этот подход заключается в том, что состояние трудной частицы считывается через объект, который проще наблюдать. В данном эксперименте молекула CaH⁺ была помещена в ловушку с ионом кальция Ca⁺, и оба объекта, обладая одинаковым положительным зарядом, начали отталкиваться друг от друга. Они двигались как бы синхронно, словно соединенные невидимой пружиной.

Однако сама молекула плохо реагирует на лазеры, поэтому напрямую контролировать её крайне сложно. Зато ион кальция можно легко охлаждать и отслеживать с помощью света. Учёные использовали его в качестве посредника, охлаждая и отслеживая кальций, а вместе с ним контролировали и молекулу.

Зачем охлаждение важно для эксперимента?

Один из ключевых аспектов этого эксперимента — охлаждение иона кальция почти до абсолютного нуля с помощью лазеров. Это замедляет его движение, а через "квантовую пружину" охлаждение передается молекуле, что значительно упрощает управление её состоянием. При низких температурах молекула сохраняет своё вращательное состояние намного дольше — около 18 секунд, что в десять раз больше, чем при комнатной температуре.

Хотя это время кажется коротким, для квантовой физики оно огромное. За эти 18 секунд ученые могут провести тысячи измерений, проверяя стабильность и управляемость состояния молекулы.

Как ученые фиксируют квантовые переходы?

В дальнейшем ученые направляют лазерный импульс на молекулу, что вызывает изменения в её вращении. Прямо молекулу увидеть невозможно, но её воздействие можно зарегистрировать через ион кальция. При этом ион кальция реагирует вспышкой света, фиксируемой камерой. Когда молекуле дают команду вернуться в исходное состояние, ион снова излучает вспышку. Эти две вспышки соответствуют двум квантовым переходам.

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

Если молекула из-за теплового излучения среды уходит в другое состояние, вспышки прекращаются. Этот момент фиксируется практически мгновенно, за 10 миллисекунд, что позволяет точно отследить потерю контроля.

Прочность результата и его значимость

Для того чтобы результаты эксперимента были надежными, команда многократно повторяла его. В 998 из 1000 случаев результат совпадал с ожидаемым, что свидетельствует о точности контроля на уровне 99,8%. Такой показатель до сих пор был доступен лишь для одиночных атомов, но не для молекул.

Это достижение открывает новые перспективы для применения молекул в квантовых технологиях. Молекулы могут хранить гораздо больше информации, чем атомы, благодаря более сложной внутренней структуре, что делает их идеальными кандидатами для создания мощных и гибких квантовых вычислительных систем.

Кроме того, управляемые молекулы могут сыграть ключевую роль в точной настройке химических реакций на уровне атомных связей, что будет полезно для разработки новых лекарств, катализаторов и материалов. Их высокая чувствительность к слабым физическим воздействиям может также оказать значительное влияние на эксперименты, направленные на проверку фундаментальных законов природы и поиск новых физических эффектов.