Laserowe chłodzenie cząsteczek

Komputery kwantowe - przyszłość informatyki, która brzmi bardziej niesamowicie, niż technologie z filmów science-fiction. Na drodze do ich realizacji zrobiono kolejny krok - użyto lasera do schłodzenia cząsteczek.

Kwantowe komputery mają działać szybciej dzięki wykorzystaniu kwantowych bitów informacji, czyli kubitów. W tej roli uczeni obsadzali w swoich eksperymentach albo atomy, albo „sztuczne atomy". Czym jest sztuczny atom? To grupa wielu atomów, zachowująca się na poziomie kwantowym jak pojedynczy atom. I jedno, i drugie rozwiązanie ma wady: splątane atomy nie komunikują się ze sobą wystarczająco silnie na potrzeby obliczeń, sztuczne atomy spisują się tu doskonale, ale z powodu swojej masy sprawiają inny problem: zbyt łatwo poddają się zakłóceniom ze świata zewnętrznego. Czy nie da się znaleźć innego rozwiązania? Narzuca się wykorzystanie cząsteczek chemicznych, ale z różnych powodów również się to dotąd nie sprawdzało.

Jeden z tych problemów właśnie rozwiązali naukowcy z Yale University: David DeMille, Edward Shuman i John Barry. Jeśli chcemy stworzyć kwantowy komputer, potrzebujemy możliwości manipulowania jego kubitami, a to jest trudne ponieważ każda manipulacja zakłóca ich stan kwantowy. Ponadto cząsteczki bez przerwy poruszają się, wibrują i obracają. Jak wiadomo, ruch cząsteczek to inaczej temperatura, jeśli chcemy cząsteczkę uciszyć, musimy obniżyć jej temperaturę blisko zera absolutnego, czyli -273,15 °C.

Jak można schłodzić pojedynczą cząsteczkę? Udało się to zrobić z wykorzystaniem lasera. Wielu może zdziwić, w jaki sposób laser, kojarzony raczej z wysoką temperaturą można wykorzystać do chłodzenia? Promień lasera to najprościej mówiąc: strumień fotonów, które trafiając w cząsteczkę, poruszają nią. Jeśli cząsteczkę umieścimy pomiędzy dwoma przeciwległymi promieniami, to ograniczymy jej ruchy i przytrzymamy. A mniej ruchu to niższa temperatura. Chłodzenie laserem wykorzystywano już do pojedynczych atomów, ale nie stosowano wcześniej tej metody do cząsteczek, ponieważ mają one nieregularne kształty i zachowują się nieprzewidywalnie. Dlatego osiągnięcie zespołu DeMille'a jest takim sukcesem. Schłodzili oni niemal do zera absolutnego cząsteczkę monofluorku strontu, ale zamierzają ją rozwinąć i zastosować również do cząsteczek innych związków.

To rewolucja - mówią autorzy. Technika znajdzie zastosowanie nie tylko przy konstruowaniu kwantowych komputerów, ale również do wielu innych eksperymentów. Jednym z nich jest uzyskanie efektu tunelowania kwantowego, ale przyda się również do precyzyjnych pomiarów struktury molekuł, czy wynajdywania nowych, nieznanych dotąd cząsteczek.

chłodzenie laserem komputer kwantowy kubit monofluorek strontu David DeMille Edward Shuman John Barry Yale University