Физики научились почти идеально управлять молекулами для квантовых технологий

Учёные из Национального института стандартов и технологий (NIST) достигли почти идеального контроля над молекулой гидрида кальция — важный шаг к использованию молекул в квантовых технологиях. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Аспирантка Эйприл Шеффилд и научный сотрудник Барух Маргулис в лаборатории NIST. Автор: R. Jacobson/NIST

В отличие от атомов, молекулы могут вращаться и вибрировать, что делает их более чувствительными к изменениям окружающей среды, но и сложными для управления.

«Если вы чувствительны к чему-то, это может быть проклятием, потому что вы бы предпочли не быть чувствительным, или это может быть благословением», — сказал физик NIST Дитрих Лейбфрид. — «Вы можете использовать эту чувствительность в своих интересах».

Для контроля над молекулой гидрида кальция (CaH⁺) исследователи использовали технику квантовой логической спектроскопии. В качестве «помощника», взаимодействующего с лазером, выступил ион кальция, охлаждённый до низких температур. Когда лазер менял вращение молекулы, связанный с ней ион-помощник испускал вспышку света, которую фиксировали учёные.

Экспериментальная установка в лаборатории NIST в Боулдере. Автор: R. Jacobson/NIST

Молекула могла сохранять заданное вращательное состояние около 18 секунд, что давало тысячи возможностей для измерений. Команда достигла успеха в манипуляциях с вероятностью 99,8%.

«Это своего рода игра в прятки», — объяснил Барух Маргулис. — «Как только тепловое излучение переводит молекулу в другое состояние, вспышки света от иона-наблюдателя прекращаются, и мы можем увидеть это почти в реальном времени».

Эта работа открывает путь к созданию сверхчувствительных молекулярных квантовых термометров для атомных часов, а также к изучению огромного разнообразия молекул для квантовых вычислений, сенсоров и химических исследований.

Дополнительная информация: Dalton Chaffee et al, High-Fidelity Quantum State Control of a Polar Molecular Ion in a Cryogenic Environment, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/7ypf-91jr. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.14740