Квантовое управление молекулами для сверхбыстрых компьютеров

В квантовом мире сделать простым поведение одного атома – это одно, но упростить поведение более сложной молекулы – это уже совсем другая история.

Ученые из Северо-Западного университета нашли элегантный способ остановить «акробатику» молекулы так, что ее потенциал может быть использован для новых приложений: нужно только осветить лучом одного лазера захваченную молекулу, и она мгновенно остывает до температуры космического пространства, останавливая свое вращение.

«Это противоречит здравому смыслу, что молекула становится холоднее, а не горячее при освещении интенсивным лазерным лучом, - сказал Брайан Одом (Brian Odom), доцент кафедры физики и астрономии в Колледже искусств и наук Вайнберга, который руководил исследованием. - Мы модифицировали спектр широкополосного лазера так, что почти все энергия вращения удаляется из засвеченных молекул. Мы являемся первым, кто остановил кувыркание молекул таким эффективным и в то же время простым способом».

Не очень сложно захватить многие типы молекул в ловушку, и удерживать их точно в заданном месте, сказал Одом, но они упорно продолжают вращаться, как если бы они вовсе не захвачены. Используя свой специально настроенный лазер, он и его коллеги охладили однозарядные молекулы моногидридного алюминия от комнатной температуры до 4 градусов Кельвина в доли секунды. Резкое падение температуры остановило обычно постоянное вращательное движение молекулы.

Такое управление молекулами, их вращательных и колебательных состояний, имеет большое значение для применения молекул в строительстве сверхбыстрых квантовых компьютеров.

Новая методика быстрее, проще, практичнее и эффективнее, чем методы, разработанные к настоящему времени для управления молекулами.

Ранее предполагали, что для замораживания молекулярных вращений потребуется достаточно много лазеров. Однако широкополосный лазерный луч содержит много различных частотных составляющих, и исследователи использовали эти компоненты в нестандартной конструкции лазера для своей задачи. Они отфильтровали ту часть спектра, которая заставляет молекулы вращаться быстрее (и становиться горячее), оставив нужные частоты, которые замедляют молекулы (а также охлаждают их).
Следует также отметить, что они охладили молекулу до самого низкого квантового вращательного состояния, используя установку при комнатной температуре, а не с громоздким криостатом с жидким гелием, как некоторые другие исследователи.

«В нашем квантовом мире каждый тип движения имеет только определенные разрешенные энергии, - сказал Одом. - Если я хочу замедлить молекулу, квантовая механика говорит мне, что это происходит дискретно. И есть самый низкий уровень, который мы сумели получить».

Одом и его команда решили работать с однозарядными молекулами моногидридного алюминия поскольку такие молекулы не колеблются, когда они взаимодействует с лучом лазера.

«Выбирая правильную молекулу, мы были в состоянии остановить ее вращение, не беспокоясь о колебаниях», - сказал Одом.

Молекулы моногидридного алюминия недороги и, кроме квантовых вычислений, могут быть использованы в широком спектре приложений.

«Вы можете многое сделать, если у вас есть один вид управляемой молекулы, как мы сделали в этом исследовании», - сказал Одом.

В дополнение к квантовой обработке информации, приложения, которые могут получить развитие с этой новой возможностью управлять вращением молекул, включают ультрахолодную квантово-управляемую химию и проверку, являются ли фундаментальные константы действительно постоянными или они изменяются со временем.