Физики поставили молекулу под свой полный контроль, охладив её почти до абсолютного нуля.

В обычном веществе даже при низких температурах атомы продолжают хаотически двигаться, что не позволяет их контролировать и тем более эффективно ими управлять. Поэтому для очень точных операций с атомами и молекулами их необходимо охладить до очень низких температур, значительно ниже 1 К – почти до абсолютного нуля. Это позволяет удерживать их в ловушках, создаваемых электрическими и магнитными полями, включая поля лазерных лучей, и получить полный контроль над ними вплоть до квантовых состояний. Так что, когда физики говорят о холодных атомах или молекулах, они подразумевают именно получение полного квантового контроля над ними.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Атомы охлаждать до ультранизких температур стали еще в 1970-х годах. Но с помощью холодильника и другими привычными способами такого охлаждения достичь невозможно, поэтому были разработаны специальные методы так называемого лазерного охлаждения. Лазер возбуждал атомы, а затем они сбрасывали энергию в виде излучения и охлаждались. За один из методов такого охлаждения была вручена Нобелевская премия по физике 1997 года. А создатель лазерных ловушек: «оптических пинцетов», Артур Ашкин, получил эту награду в 2018 году. Полный квантовый контроль атомов позволил достигнуть уникальных научных и прикладных результатов. Так получение нового состояния вещества – конденсата Бозе-Эйнштейна было также удостоено в 2001 году Нобелевской премии по физике. А методы «манипулирования индивидуальными системами» удостоились премии за 2012 год. Из других результатов можно упомянуть создание ультрапрецизионных атомных часов и сверхточные измерения физических констант.

Однако охладить так молекулы долгое время не удавалось и даже считалось практически нереализуемым из-за сложной структуры молекулярных энергетических уровней. Впервые это было проделано лишь в 2010 году. Но и по сей день в этом направлении ведутся активные исследования с целью найти молекулы, для которых охлаждение возможно и разработать универсальные его методы. Традиционно для получение холодных молекул используется так называемый резонанс Фешбаха – по сути столкновение двух медленных атомов, которые временно слипаются, образуя неустойчивое соединение с коротким временем жизни – резонанс.

На днях в журнале Science международный коллектив физиков сообщил, что им удалось впервые в мире получить ультрахолодные молекулы в лазерном «оптическом пинцете» без использования резонансов Фешбаха. Авторы назвали новый метод спариванием атомных спинов. В статье приведён и теоретически описан эксперимент китайских физиков. В работе принимала участия группа специалистов «Теория многих тел» Российского квантового центра, руководитель которой, научный директор РКЦ и директор по исследованиям Лаборатории теоретической физики университета «Париж-Юг» (Франция) Георгий Всеволодович Шляпников, стал одним из главных авторов статьи.

По мнению исследователей, следующим шагом исследований станет перевод таких молекул в основное колебательно-вращательное состояние, что откроет путь к созданию кудитов. Кудитом называют квантовый объект, в котором число возможных состояний (уровней) больше двух. Можно сказать, что он оперирует состояниями логического нуля, единицы и дополнительных логических значений. При создании квантовых вычислителей кудиты имеют преимущества по сравнению с использованием кубитов, которые имеют два собственных состояния. Система на базе двух кудитов может эмулировать возможности 20-кубитного квантового компьютера.

По материалам Российского квантового центра.