От кубитов к молекулам: почему управляемая химия станет основой для квантовых компьютеров

Создать молекулу в лаборатории обычно означает запустить реакцию и ждать, какие связи "сложатся" сами собой. Но теперь у химиков появился инструмент, который позволяет буквально собрать соединение поштучно — из заранее выбранных атомов. Учёные из Гарвардского университета впервые соединили два конкретных атома в одну молекулу при помощи лазерных микропинцетов. Об этом сообщает журнал Science.

Как "поймали" атомы и подготовили их к реакции

В основе эксперимента — оптические микропинцеты: это сфокусированные лазерные лучи, которые удерживают мельчайшие частицы в заданной точке пространства. В такой "ловушке" можно не только фиксировать объект, но и перемещать его с высокой точностью, почти как манипулятором. Исследователи использовали два отдельных пинцета: в одном оказался атом натрия, во втором — атом цезия.

Оба атома предварительно охладили почти до абсолютного нуля — то есть до температуры примерно -273,15 °C с отклонением меньше одной десятитысячной градуса. Такое охлаждение нужно, чтобы минимизировать движение частиц: чем медленнее они движутся, тем проще контролировать столкновение и исключить случайные эффекты. В обычных условиях атомы слишком "шумные" и непредсказуемые, а здесь экспериментаторы получили практически идеальную чистоту и порядок на уровне отдельных частиц.

Молекула из двух атомов — строго по команде

Дальше пинцеты подвели друг к другу на расстояние, при котором их лазерные поля начали перекрываться. В этот момент атомы натрия и цезия столкнулись. Чтобы они не просто разлетелись, а образовали связь, учёные включили третий лазер. Он направил на частицы световой импульс, который добавил энергии, необходимой для формирования химической связи, и в результате возникла молекула цезий-натрий.

Важность этого результата в том, что реакция происходила не в смеси, где одновременно сталкиваются миллиарды атомов, а в полностью управляемых условиях. Это похоже на разницу между попыткой собрать механизм в толпе движущихся людей и работой с двумя деталями на столе под микроскопом. Такой подход позволяет не только получать отдельные молекулы, но и наблюдать весь процесс их рождения пошагово.

Зачем это нужно науке и будущим технологиям

Новый метод открывает возможности для более точного изучения фундаментальных атомных процессов. Когда молекулы изолированы друг от друга, легче понять, как они взаимодействуют со светом, как меняют энергию и какие состояния могут принимать. В традиционной химии подобные детали часто "замываются" из-за множества параллельных столкновений и побочных реакций.

Отдельное направление — создание молекул с заданными квантовыми вычислениями. Оптические пинцеты позволяют выстраивать системы так, чтобы они вели себя предсказуемо на квантовом уровне. Это важно для технологий, где ключевую роль играют кубиты — минимальные элементы хранения информации в квантовых вычислениях. Управляемые молекулы потенциально могут стать платформой для хранения и обработки таких квантовых состояний, если удастся надёжно поддерживать их стабильность.

Технология, с которой раньше работали физики для управления частицами, всё заметнее становится инструментом химии нового поколения — той, где соединения не "получают", а собирают с точностью до одного атома, включая системы со спином и квантовыми технологиями.