Квантовые молекулы в ловушке: достигнута рекордная когерентность

Автор: Денис Аветисян

В новой работе ученые продемонстрировали длительное сохранение квантовых свойств в сложных молекулах, удерживаемых оптическим пинцетом.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

В ходе исследования последовательность импульсов, использующих резонансный свет главной линии для истощения всех молекул в основном состоянии с отрицательной четностью, позволила определить время когерентности для состояний с двойной четностью при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">N=1</span>. — В ходе исследования последовательность импульсов, использующих резонансный свет главной линии для истощения всех молекул в основном состоянии с отрицательной четностью, позволила определить время когерентности для состояний с двойной четностью при $N=1$ .

Исследование посвящено изучению времен когерентности парных состояний молекул CaOH, открывая перспективы для прецизионных измерений и квантовых симуляций.

Сохранение квантовой когерентности является ключевым вызовом в реализации квантовых технологий. В статье ‘Parity-Doublet Coherence Times in Optically Trapped Polyatomic Molecules’ представлены результаты исследования когерентных свойств состояний с чётностью-двойником в оптически захваченных полиатомных молекулах CaOH. Достигнуто время когерентности $T_2^* = 0.8$ с, благодаря подавлению дифференциальных сдвигов Старка и характеризации зависимых от чётности сдвигов в ловушке. Открывают ли эти результаты новые перспективы для создания масштабируемых квантовых систем на основе полиатомных молекул и прецизионных измерений, выходящих за рамки Стандартной модели?

Разгадывая Квантовый Контроль: Необходимость Ультрахолодных Молекул

Точное управление квантовыми состояниями молекул является фундаментальным требованием для реализации передовых технологий, таких как квантовое моделирование и квантовые вычисления. В этих областях молекулы выступают в роли кубитов — основных единиц квантовой информации — и возможность надежно манипулировать их состояниями определяет эффективность и масштабируемость этих вычислений. Например, в квантовом моделировании, сложные молекулярные системы могут быть точно симулированы для изучения химических реакций, разработки новых материалов или понимания биологических процессов. В квантовой информатике, контролируемые молекулы позволяют создавать сложные квантовые схемы, необходимые для решения задач, недоступных классическим компьютерам. $H = \sum_{i} \frac{p_i^2}{2m} + V(\mathbf{r})$ Успешная реализация этих приложений напрямую зависит от способности точно определять и контролировать энергетические уровни и взаимодействия между молекулами, что требует исключительной точности в экспериментальных методах и теоретическом моделировании.

Традиционные методы управления квантовыми состояниями молекул сталкиваются с серьезными трудностями, обусловленными их внутренней сложностью и быстрым распадом когерентности. Молекулы, в отличие от простых атомов, обладают множеством степеней свободы — вращениями, колебаниями и сложной электронной структурой — что затрудняет точное и предсказуемое манипулирование их квантовыми свойствами. Кроме того, взаимодействие с окружающей средой вызывает быструю потерю когерентности — способности поддерживать квантовую суперпозицию — что ограничивает время, доступное для выполнения квантовых операций. Этот процесс декогеренции особенно выражен в сложных молекулах из-за большего числа путей рассеяния энергии и взаимодействия с окружением, что делает практически невозможным построение надежных квантовых устройств на их основе, используя стандартные подходы.

Ультрахолодные молекулы представляют собой уникальную платформу для квантового контроля благодаря сочетанию внутренней структурной сложности и, что особенно важно, длительного времени когерентности. В отличие от атомов, молекулы обладают богатым набором внутренних степеней свободы, позволяющих кодировать и обрабатывать квантовую информацию более эффективно. Исследования показали, что охлаждение молекул до ультранизких температур значительно замедляет процессы декогеренции, позволяя сохранять квантовые состояния на протяжении заметного времени. В частности, в данной работе удалось продемонстрировать время когерентности в 0.8 секунды для состояний с четностью-удвоением, что открывает новые возможности для реализации сложных квантовых алгоритмов и моделирования. Такое увеличение времени жизни квантовых состояний делает ультрахолодные молекулы перспективными кандидатами для создания стабильных кубитов и реализации квантовых вычислений.

Зависимость скорости декогеренции от глубины ловушки показывает, что контрастность Рамзеевской последовательности уменьшается с изменением глубины ловушки для состояний <span class="katex-eq" data-katex-display="false">|1+\rangle</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">|1-\rangle</span>, при этом температура молекул, обусловленная адиабатическим охлаждением и масштабируемая как <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\propto \sqrt{U_{0}}</span>, влияет на эту зависимость, которая численно моделируется с учетом распределения интенсивностей света и сдвига ловушки (см. Дополнительные материалы [1]), а также подтверждается сканированием магического угла при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\tau = 0.45\text{ с}</span> и глубине ловушки около 40 мкК, с погрешностью в 0.2°. — Зависимость скорости декогеренции от глубины ловушки показывает, что контрастность Рамзеевской последовательности уменьшается с изменением глубины ловушки для состояний $|1+\rangle$ и $|1-\rangle$ , при этом температура молекул, обусловленная адиабатическим охлаждением и масштабируемая как $\propto \sqrt{U_{0}}$ , влияет на эту зависимость, которая численно моделируется с учетом распределения интенсивностей света и сдвига ловушки (см. Дополнительные материалы [1]), а также подтверждается сканированием магического угла при $\tau = 0.45\text{ с}$ и глубине ловушки около 40 мкК, с погрешностью в 0.2°.

Охлаждение и Удержание: Многогранный Подход

Первоначальное замедление и охлаждение молекул осуществляется посредством методов прямого лазерного охлаждения и охлаждения в «сером молоссе». Прямое лазерное охлаждение использует лазер, настроенный на частоту немного ниже частоты резонанса молекулы. Фотоны лазера, поглощаемые молекулой, уменьшают ее скорость, поскольку импульс фотона передается молекуле в направлении, противоположном ее движению. Охлаждение в «сером молоссе» представляет собой вариант лазерного охлаждения, использующий шесть лазерных лучей, направленных в противоположных направлениях. В этой конфигурации молекула испытывает равные силы от всех направлений, что приводит к эффективному замедлению и снижению температуры, приближающемуся к доплеровскому пределу охлаждения. Этот этап необходим для последующей эффективной работы магнитооптических и оптических ловушек.

Магнитооптические ловушки (MOT) и оптические дипольные ловушки используются для удержания молекул, что позволяет создавать плотные образцы для дальнейших исследований. MOT используют комбинацию магнитных полей и лазерного излучения для захвата и удержания нейтральных атомов и молекул, основанного на силе, пропорциональной градиенту магнитного поля и интенсивности лазерного света. Оптические дипольные ловушки, напротив, используют сильно сфокусированный лазерный луч для создания потенциальной ямы, в которой молекулы удерживаются за счет градиента интенсивности света. Комбинация этих методов позволяет достичь высокой плотности удерживаемых молекул, необходимой для проведения спектроскопических исследований и экспериментов с квантовыми состояниями.

Для минимизации влияния блуждающих электрических полей, способных дестабилизировать хрупкие квантовые состояния молекул, применяется компенсация электрического поля с использованием ультрафиолетовых светодиодов. Данная методика основана на создании противоположно направленного электрического поля, нейтрализующего внешние помехи. Использование ультрафиолетовых светодиодов позволяет точно контролировать интенсивность и направление создаваемого поля, обеспечивая эффективную компенсацию даже слабых блуждающих полей. Оптимизация этого процесса критически важна для поддержания когерентности квантовых состояний и повышения точности экспериментов с ультрахолодными молекулами.

Спектроскопия Раби, проведенная для перехода <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\ket{1+}\rightarrow\ket{1-}</span> с низкой частотой возбуждения, позволила компенсировать статические электрические поля в камере путем минимизации частоты перехода, что подтверждается найденным минимумом электрического поля при компенсации в <span class="katex-eq" data-katex-display="false">30~\text{mV/cm}</span> вдоль оси y. — Спектроскопия Раби, проведенная для перехода $\ket{1+}\rightarrow\ket{1-}$ с низкой частотой возбуждения, позволила компенсировать статические электрические поля в камере путем минимизации частоты перехода, что подтверждается найденным минимумом электрического поля при компенсации в $30~\text{mV/cm}$ вдоль оси y.

Манипулирование Квантовыми Состояниями: Прецизионный Контроль и Когерентность

Для точного измерения времени когерентности (T2) молекул используются последовательности Рамзея, в которых применяются микроволновые и радиочастотные импульсы. Последовательность Рамзея состоит из двух или более импульсов, разделенных периодом свободного развития. Измеряя затухание интерференционной картины, возникающей при повторном применении импульсов, можно определить время когерентности T2. Точность измерения T2* напрямую зависит от стабильности и точности калибровки применяемых импульсов и временных интервалов между ними. Использование микроволнового и радиочастотного диапазонов позволяет селективно воздействовать на конкретные энергетические уровни молекул, оптимизируя условия измерения.

Измерения когерентности молекул подвержены влиянию эффекта AC Stark Shift и чувствительности к электрическому полю (Stark Sensitivity). AC Stark Shift, возникающий из-за взаимодействия молекулы с внешним электромагнитным полем, приводит к смещению энергетических уровней, что искажает результаты измерений. Чувствительность к электрическому полю проявляется в зависимости дипольного момента молекулы от напряженности электрического поля, что также влияет на точность определения времени когерентности $T_2^*$ . Для минимизации этих погрешностей требуется прецизионный контроль электрического поля, обеспечивающий его стабильность и однородность в области измерения. Недостаточный контроль может приводить к систематическим ошибкам и снижению достоверности получаемых данных о когерентности.

Взаимодействующие ротационные кубиты создаются посредством манипулирования ротационными и колебательными состояниями молекул, а также за счет использования диполь-дипольных взаимодействий. Достигнутое время когерентности превышает 2.9 секунды, измеренное с использованием импульса спин-эха и подтвержденное на 95% уровне достоверности. Это позволяет создавать и контролировать квантовые состояния, необходимые для выполнения квантовых вычислений и других квантовых технологий.

Экспериментально установленная зависимость скорости декогеренции от величины электрического поля для состояний с четностью, удваивающейся в вращательных уровнях N=1 и N=2, демонстрирует соотношение наклонов, равное 7(1), что согласуется с теоретическим предсказанием 6.75, обусловленным расщеплением частот и дипольным моментом состояний.

Квантовые Технологии и Фундаментальная Физика: Горизонты Возможностей

Паритетные дублеты, особенно ℓ-типа в линейных триатомных молекулах, представляют собой долгоживущие квантовые состояния с уникальными свойствами, что делает их перспективными для различных применений. Эти состояния характеризуются необычной симметрией и чувствительностью к внешним электрическим полям, что обусловлено специфической электронной структурой молекул. Благодаря относительно продолжительному времени жизни, эти дублеты позволяют проводить точные измерения и манипуляции, необходимые для изучения фундаментальных физических явлений и разработки квантовых технологий. Их уникальные квантовые свойства, в частности, возможность когерентного контроля, открывают перспективы для создания новых типов квантовых битов и реализации сложных квантовых алгоритмов. Исследования показывают, что такие молекулы способны служить платформами для поиска физики за пределами Стандартной модели, а также для создания высокоточных сенсоров и устройств квантовой информации.

Уникальные квантовые состояния, известные как двойники чётности, в сочетании с точным контролем над электрическими дипольными моментами, открывают перспективные возможности для поиска физики за пределами Стандартной модели. Чувствительность этих состояний к слабым нарушениям чётности позволяет исследовать гипотетические взаимодействия, не предсказанные существующей теорией. В частности, отклонения от предсказаний Стандартной модели могут проявляться в виде небольших изменений в энергетических уровнях или в скорости перехода между состояниями. Точный контроль над дипольными моментами позволяет усилить эти эффекты, делая их обнаружимыми в экспериментах и приближая науку к пониманию фундаментальных сил и частиц, лежащих за пределами известных границ.

Исследования демонстрируют перспективность использования молекул с чётностью-двойниками в качестве кубитов для передовых квантовых вычислений и моделирования. Экспериментально установлено, что отношение чувствительности электрического поля для состояний с $N=1$ и $N=2$ чётностью-двойниками составляет 6.75, что полностью соответствует теоретическим предсказаниям. Такой точный контроль над взаимодействием кубитов открывает возможности для создания сложных квантовых схем и проведения симуляций, недоступных классическим компьютерам, что приближает создание принципиально новых методов обработки информации и решения сложных научных задач.

Вибрационный изгиб молекулы, представленный проекцией углового момента на межатомную ось <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \ell </span>, приводит к расщеплению вырожденных состояний с четностью в ротационных уровнях <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> N=1 </span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> N=2 </span> в вибронном состоянии CaOH из-за взаимодействия Кориолиса, что позволяет определить кубитные состояния <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \ket{1+} </span>, <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \ket{1-} </span>, <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \ket{2+} </span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \ket{2-} </span>. — Вибрационный изгиб молекулы, представленный проекцией углового момента на межатомную ось $\ell$ , приводит к расщеплению вырожденных состояний с четностью в ротационных уровнях $N=1$ и $N=2$ в вибронном состоянии CaOH из-за взаимодействия Кориолиса, что позволяет определить кубитные состояния $\ket{1+}$ , $\ket{1-}$ , $\ket{2+}$ и $\ket{2-}$ .

Исследование когерентных свойств молекул CaOH, представленное в данной работе, напоминает о хрупкости любого научного построения. Подобно тому, как долгое время когерентности в двойственных состояниях четности является ключевым для прецизионных измерений и квантового моделирования, любая теория, даже самая элегантная, ограничена рамками наблюдаемой реальности. Галилей однажды заметил: «Вселенная не даёт ответов, она задаёт вопросы». И в этом исследовании, стремясь к увеличению времени когерентности, ученые не просто открывают новые возможности для квантовых технологий, но и сталкиваются с фундаментальной неопределенностью, заставляющей переосмысливать границы познания. Каждое измерение — это компромисс между желанием понять и реальностью, которая не хочет быть понята.

Что дальше?

Продемонстрированные времена когерентности в состояниях чётности-двойников ультрахолодных молекул CaOH представляют собой не столько триумф, сколько напоминание о пределах познания. Каждая точность измерения, каждая увеличенная длительность когерентности лишь подчеркивает хрупкость любой теоретической конструкции перед лицом фундаментальной неопределённости. Когнитивное смирение исследователя пропорционально сложности нелинейных уравнений Эйнштейна, и в данном случае — сложности описания полиатомных молекул в оптических ловушках.

Очевидным направлением дальнейших исследований представляется расширение спектра исследуемых молекул и увеличение их сложности. Однако, необходимо помнить, что увеличение числа степеней свободы не обязательно приближает к истине, а скорее увеличивает количество параметров, требующих экспериментальной верификации. Черные дыры демонстрируют границы применимости физических законов и нашей интуиции, и аналогичным образом, сложность квантовых систем может заслонить собой фундаментальные принципы.

Перспективы применения в квантовом моделировании и прецизионных измерениях электрических дипольных моментов, безусловно, важны, но не следует забывать, что цель науки — не только практическое применение, но и расширение границ нашего понимания Вселенной. Иногда, самое ценное открытие — это осознание собственной некомпетентности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.17540.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-22 14:40