Ученым впервые удалось поместить в единое квантовое состояние "облако" из тысяч молекул - «Наука и технологии»

Современные квантовые технологии уже достигли достаточно высокого уровня, но большинство из них построено на базе использования различных субатомных частиц или фотонов света, в меньшей части квантовых технологий используются ионы, атомы, лишенные одного или нескольких электронов. Однако, управление квантовым состояние на уровне молекул, состоящих из нескольких атомов, на базе которых можно создавать более стабильные квантовые биты, оказалось на деле очень сложной задачей. И лишь недавно ученым впервые удалось поместить группу из тысяч молекул в единое синхронизированное квантовое состояние.

"Элементарные частицы и атомы являются простыми сферическими объектами. Молекулы, имеющие более сложное строение, могут вибрировать, вращаться и содержать в своем составе крошечные магниты" - пишут исследователи, - "Такие возможности делают молекулы весьма перспективными для квантовых технологий, с другой стороны, реализовать точный контроль и управление состоянием молекул гораздо сложнее, чем это можно сделать по отношению к атомам, к примеру".

Ключевым моментом в новом достижении является использование странного состояния материи, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна (Bose-Einstein condensate, BEC). Такое состояние возникает, когда облако атомов охлаждается до температуры, на очень малые доли градуса выше точки абсолютного нуля. Квантовое состояние всех атомов облака выравнивается и синхронизируется, после чего это облако начинает вести себя словно один большой атом, который демонстрирует квантовое поведение на доступном для восприятия макро-масштабе.

Для перевода молекул в единое квантовое состояние ученые добавили два дополнительных этапа к стандартному "рецепту приготовления" конденсата Бозе-Эйнштейна. Во-первых, они охладили облако еще глубже, чем обычно - до 10 наноКельвинов. При этом, атомы конденсата сформировали пары, превратившись в простейшие молекулы.

Затем ученые ограничили пространство, доступное этим молекулам, пределами одной плоскости, плоскости тщательно обработанной поверхности. Этим самым они ограничили возможность движения молекул только двумя координатами, что позволило увеличить стабильность квантовой системы в целом. И в результате у них получился своего рода "двухмерный" конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из нескольких тысяч молекул, имеющих одинаковую пространственную ориентацию, фазу и частоту колебаний.

Такой конденсат Бозе-Эйнштейна может быть использован для создания высокостабильных квантовых битов, кубитов, которые, в свою очередь, могут быть использованы в целом ряде квантовых технологий. "Все это является абсолютно идеальной отправной точкой" - пишут исследователи, - "Если вы собираетесь построить квантовую систему, внутри которой должна храниться информация, у вас должна иметься достаточно большая область, которую можно отформатировать соответствующим образом и записать туда нужную информацию. И такие "большие кубиты" на базе облаков молекул являются идеальными кандидатами для реализации хранилищ квантовой информации".