Контроль с точностью 99,8%. Физики научились управлять квантовым состоянием молекулы
Успешность управления составила 99,8%, что является одним из самых точных результатов в исследованиях квантового контроля (Фото: pixabay)
Физики из Национального института стандартов и технологий США достигли нового уровня контроля над молекулами, научившись с высокой точностью манипулировать молекулярным ионом моногидрида кальция.
Успешность управления составила 99,8%, что является одним из самых точных результатов в исследованиях квантового контроля над молекулярными системами.
Моногидрид кальция состоит из одного атома кальция и одного атома водорода. В отличие от атомов, молекулы значительно сложнее для управления, поскольку могут находиться во многих квантовых состояниях из-за вращения и колебаний. Именно это долгое время ограничивало их использование в квантовых технологиях.
Для достижения такого уровня точности команда применила метод квантовой логической спектроскопии, первоначально разработанный для сверхточных ионных часов. В этом эксперименте молекулярный ион наблюдали с помощью вспомогательного иона кальция. Оба иона удерживались вместе в ловушке и, имея одинаковый электрический заряд, взаимодействовали между собой.
Поскольку моногидрид кальция слабо взаимодействует с лазерным светом, исследователи охлаждали лазерами ион кальция. Замедление его движения автоматически охлаждало и молекулу. Холодная среда позволила сохранять квантовое состояние молекулы в десять раз дольше, чем при комнатной температуре.
После этого лазером изменяли вращательное состояние молекулы. Саму молекулу непосредственно «увидеть» невозможно, но вспомогательный ион кальция реагировал на эти изменения, излучая короткие вспышки света. Двойная вспышка сигнализировала о двух квантовых переходах между состояниями молекулы.
Эксперимент показал, что молекула может оставаться в одном вращательном состоянии примерно 18 секунд, прежде чем тепловое излучение изменит ее квантовое состояние. За это время ученые получают тысячи возможностей для точных измерений. Изменения фиксируются практически мгновенно — примерно за 10 миллисекунд.
Чтобы исключить случайность, исследователи многократно проверяли состояние иона кальция. В результате в 998 случаях из 1000 им удалось успешно управлять квантовым состоянием молекулы.
Ученые отмечают, что этот метод открывает путь к использованию широкого спектра молекул в квантовых технологиях, исследованиях фундаментальной физики за пределами Стандартной модели и, потенциально, к контролю химических реакций на квантовом уровне.
