Физики находят способ управлять заряженными молекулами — с помощью квантовой логики

Новый метод достигает неуловимой цели, контролируя молекулы так же эффективно, как лазерное охлаждение и другие методы могут управлять атомами. Квантовый контроль над атомами произвел революцию в атомной физике, что привело к появлению таких приложений, как атомные часы. Но лазерное охлаждение и управление молекулами чрезвычайно сложно, потому что они намного сложнее атомов.

В методике NIST по-прежнему используется лазер, но только для мягкого исследования молекулы; его квантовое состояние обнаруживается косвенно. Этот тип управления молекулярными ионами — несколько атомов, связанных вместе и несущих электрический заряд — может привести к созданию более сложных архитектур для обработки квантовой информации, усилению сигналов в фундаментальных физических исследованиях, таких как измерение «круглости» формы электрона, и повысить контроль химических реакций.Исследование описано в выпуске журнала Nature от 11 мая и было проведено в группе NIST Boulder, которая продемонстрировала первое лазерное охлаждение атомарных ионов в 1978 году.

«Мы разработали методы, которые применимы ко многим типам молекул», — сказал физик NIST Джеймс Чинвен Чоу. «Какой бы трюк вы ни проделали с атомарными ионами, теперь это возможно и с молекулярными ионами. Теперь молекула будет вас« слушать », по сути, спрашивая:« Что вы хотите, чтобы я сделал? »»«Это сравнимо с тем, когда ученые могли сначала охлаждать и улавливать атомы лазером, открывая шлюзы для приложений в прецизионной метрологии и обработке информации.

Мы мечтаем достичь всего этого с помощью молекул», — добавил Чоу.По сравнению с атомами, молекулы сложнее контролировать, потому что они имеют более сложные структуры, включающие множество электронных энергетических уровней, колебаний и вращений.

Молекулы могут состоять из множества различных чисел и комбинаций атомов и быть размером с нити ДНК более метра в длину.Метод NIST определяет квантовое состояние (электронное, колебательное и вращательное) молекулярного иона путем передачи информации второму иону, в данном случае атомарному иону, который можно охлаждать лазером и контролировать с помощью ранее известных методов.

Заимствуя идеи из квантовых логических часов NIST, исследователи пытаются манипулировать молекулярным ионом и, в случае успеха, запустить синхронизированное движение пары ионов. Манипуляция выбрана таким образом, что она может запускать движение только в том случае, если молекула находится в определенном состоянии. Ответ "да" или "нет" сигнализирует атомарный ион. Этот метод очень щадящий, он показывает квантовые состояния молекулы, не разрушая их.

«Молекула колеблется только в том случае, если она находится в правильном состоянии. Атом ощущает это колебание и может преобразовать колебание в световой сигнал, который мы можем уловить», — сказал старший автор Дитрих Лейбфрид. «Это похоже на шрифт Брайля, который позволяет людям чувствовать то, что написано, вместо того, чтобы видеть это. Мы чувствуем состояние молекулы, а не видим ее, а атомный ион — это наш микроскопический палец, который позволяет нам это делать».«Более того, метод должен быть применим к большой группе молекул без изменения установки.

Это часть основной миссии NIST — разработать инструменты точных измерений, которые, возможно, другие люди смогут использовать в своей работе», — добавил Лейбфрид.Для проведения эксперимента исследователи NIST собрали старое, но все еще работающее оборудование, в том числе ионную ловушку, использованную в эксперименте по квантовой телепортации 2004 года. Они также позаимствовали лазерный свет из продолжающегося эксперимента с квантовыми логическими часами в той же лаборатории.Исследователи захватили два иона кальция на расстоянии нескольких миллионных метра друг от друга в камере высокого вакуума при комнатной температуре.

Газообразный водород просачивался в вакуумную камеру до тех пор, пока один ион кальция не прореагировал с образованием молекулярного иона гидрида кальция (CaH +), состоящего из одного иона кальция и одного атома водорода, связанных вместе.Подобно паре маятников, связанных пружиной, два иона могут развивать общее движение из-за их физической близости и отталкивающего взаимодействия их электрических зарядов.

Исследователи использовали лазер для охлаждения атомарного иона, тем самым охладив молекулу до состояния с наименьшей энергией. При комнатной температуре молекулярный ион также находится в низшем электронном и колебательном состоянии, но остается в смеси вращательных состояний.Затем исследователи применили импульсы инфракрасного лазерного излучения, настроенного для предотвращения изменений электронного или колебательного состояния ионов, чтобы вызвать уникальный переход между двумя из более чем 100 возможных вращательных состояний молекулы. Если этот переход происходил, к общему движению двух ионов добавлялся один квант энергии.

Затем исследователи применили дополнительный лазерный импульс, чтобы преобразовать изменение общего движения в изменение уровня внутренней энергии атомарного иона. Затем атомарный ион начал рассеивать свет, сигнализируя, что состояние молекулярного иона изменилось и он находится в желаемом целевом состоянии.Впоследствии исследователи могут передавать угловой момент излучаемого и поглощаемого света во время индуцированных лазером переходов, например, чтобы ориентировать вращательное состояние молекулы в желаемом направлении.Новые методы имеют широкий спектр возможных применений.

Другие ученые NIST в JILA ранее использовали лазеры для управления облаками определенных заряженных молекул определенными способами, но новый метод NIST можно использовать для управления многими различными типами более крупных молекулярных ионов другими способами, сказал Чоу.По словам Чоу, молекулярные ионы предлагают больше возможностей для хранения и преобразования квантовой информации, чем атомные ионы.

Например, они могут предложить большую гибкость для распространения квантовой информации на различные типы оборудования, такие как сверхпроводящие компоненты.Этот метод также можно использовать для ответа на вопросы глубокой физики, например, изменяются ли фундаментальные «константы» природы со временем. Молекулярный ион гидрида кальция был определен как один из кандидатов для ответа на такие вопросы.

Кроме того, для измерения электрического дипольного момента электрона (величина, указывающая на округлость распределения заряда частиц) возможность точно контролировать все аспекты сотен ионов одновременно повысит силу сигнала, который ученые хотят передать. — мера, — сказал Чжоу.Работа поддержана Исследовательским бюро армии США.

Бумага: C.W. Chou, C. Kurz, D.B. Хьюм, П. Плессоу, Д. Лейбрандт и Д. Лейбфрид.

2017. Получение и когерентное манипулирование чистыми квантовыми состояниями одиночного молекулярного иона. Природа.

11 мая.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *