Квантовый компьютер может базироваться всего на одной молекуле фуллерена
Фуллерен (C60), открытый в 1984 г., имеет самую симметричную из известных науке молекул, с 60 атомами углерода, образующими усеченную икосаэдрическую структуру, напоминающую футбольный мяч. Такая молекула, называемая ещё бакибол, достаточно проста, чтобы попытаться описать её, исходя из базовых принципов квантовой механики.
Понимание всего комплекса происходящих в ней квантовых взаимодействий, позволит в будущем использовать отдельную молекулу фуллерена как систему из 60 управляемых магнитным полем спиновых кубитов, образующих полноценный квантовый компьютер.
Впервые измерить сотни индивидуальных квантовых уровней молекулы фуллерена удалось команде Объединённого института экспериментальной астрофизики (JILA) при Колорадском университете в Боулдере. Они работали вместе с учёными из Национального института стандартов и технологий (NIST) и опубликовали полученные результаты в журнале Science.
Авторы использовали модернизированную версию спектроскопии с частотной гребёнкой и систему охлаждения с криогенным буферным газом для наблюдения изолированных индивидуальных переходов между вращательными и колебательными состояниями в холодном, газообразном массиве фуллеренов.
При комнатной температуре спектроскопия высокого разрешения невозможна из-за помех. Снижение температуры до -138°C позволило исследователям перевести молекулы в одиночное вращательно-колебательное квантовое состояние с наименьшим уровнем энергии, пригодное для зондирования этим методом.
«Если бы у нас был фуллерен из чистого изотопа углерода-13, каждый атом имел бы ядерный спин 1/2, и любая такая молекула могла бы служить 60-кубитным квантовым компьютером, – заявил Цзюнь Е (Jun Ye) из JILA/ NIST. – Конечно, мы ещё не можем осуществить это, сначала нужно поймать эти бакиболы в ловушки».
После измерения энергетических уровней, авторы собрали статистику значений ядерных спинов C60. Они подтвердили, что все 60 атомов являются идентичными, то есть, практически неразличимыми. Точные измерения энергий перехода между индивидуальными квантовыми состояниями показали, что атомы фуллерена активно взаимодействуют между собой. Это впервые приоткрыло перед учёными сложную картину квантовых процессов, протекающих внутри сферической молекулы углерода.
Лазерный луч для эксперимента пропускался через оптическую гребёнку, содержащую около 1000 «зубцов». Так генерировались оптические частоты, охватывающие весь диапазон вибраций фуллерена.