Հետազոտողները 4,5 կելվինում մեկ մոլեկուլի սպինը կապել են լույսի հետ

Հետազոտողները ցույց են տվել, որ հնարավոր է լույսը կապել խնամքով ընտրված բյուրեղի ներսում պահվող մեկ օրգանական մոլեկուլի սպինի հետ։ Հոկտեմբերի 28-ին Nature-ում հրապարակված ուսումնասիրությունում ներկայացված են մոլեկուլի սպինային վիճակներին ընտրողաբար օպտիկական հասանելիություն ստանալն ու սպինի կառավարվող վարքը 4,5 կելվինում՝ մոտ −269 °C-ում։ Սպին-ֆոտոնային միջերեսը քվանտային տեղեկություն պահող սպինը կապում է ֆոտոնների՝ լույսի մասնիկների հետ, որոնք կարող են այդ տեղեկությունը փոխանցել սարքերի միջև։

Հեղինակների խոսքով՝ հիմնական վիճակում գտնվող մոլեկուլային քուբիթների օպտիկական ընթերցման ավելի վաղ փորձերում չափվել են անսամբլներ՝ բազմաթիվ մոլեկուլներ միասին, այլ ոչ թե առանձին մոլեկուլներ։ Մեկական պենտացենի մոլեկուլներում սպինի օպտիկական հայտնաբերումն ավելի վաղ էր իրականացվել, սակայն օգտագործվել էր գրգռված վիճակի սպինը։ Նոր փորձը համատեղում է առանձին մոլեկուլի հասանելիությունը դրա հիմնական՝ ամենացածր էներգիայով էլեկտրոնային վիճակի սպինի հետ։

Ինչու են մոլեկուլն ու բյուրեղը գործում համատեղ

Մոլեկուլը դի([1,1′-բիֆենիլ]-4-իլ)կարբենն է։ Դրա կենտրոնական ածխածինն ու մոտակա ածխածնային օղակները կրում են երկու չզույգված էլեկտրոն, որոնց սպինները հակված են դասավորվելու զուգահեռ։ Դրանք միասին կազմում են տրիպլետ՝ երեք սպինային վիճակով, որոնցում կարելի է կոդավորել քվանտային տեղեկություն։ Հետազոտողների հաշվարկներով՝ զրոյական ընդհանուր սպինով այլընտրանքային վիճակի էներգիան 0,47 էլեկտրոնվոլտով ավելի բարձր է, ինչը հաստատում է տրիպլետային հիմնական վիճակի կայունությունը։

Հյուրընկալող բյուրեղը կազմված է համանման ձև ունեցող դի([1,1′-բիֆենիլ]-4-իլ)մեթանոնից։ Այն կարբենի կապված ածխածնային օղակները պահում է գրեթե հարթ․ դրանց ոլորման անկյունն ազատ տարածության մոտ 36°-ից բյուրեղում նվազում է մինչև մոտ 6°։ Այդ սահմանափակումը նվազեցնում է օպտիկական գրգռման ընթացքում ձևի փոփոխությունները և ճառագայթման ավելի մեծ մասն ուղղում զրոյական ֆոնոնային գծին՝ սպեկտրի նեղ հատվածին, որն արտանետվում է առանց տատանումներ գրգռելու։ Հյուրընկալող բյուրեղում մոլեկուլների՝ եզրով դեպի հարևանի մակերեսը դասավորությունը նաև նվազեցնում է կարբենի և հարևան մոլեկուլների էլեկտրոնային ամպերի համընկնումը՝ էլեկտրոնային առումով մեկուսացնելով սպին կրող մոլեկուլը։

Ինչպես գտնել և կառավարել մեկ մոլեկուլ

Քիմիապես ակտիվ կարբեններն անմիջապես բյուրեղի մեջ տեղադրելու փոխարեն՝ թիմը ներմուծել է դրանց նախանյութ մոլեկուլները։ Կենտրոնացված լազերային լույսը նախանյութերից հեռացրել է ազոտը՝ լուսավորված հատվածներում ստեղծելով կարբեններ։ Աստիճանական ակտիվացումը պահել է դրանց ցածր խտությունը, իսկ որոշակի օպտիկական հաճախականության վրա կարգավորված լազերն ընտրել է ավելի փոքր ենթախումբ։ Առանձնացված լուսավոր կետի ֆոտոնային կորելյացիայի ստուգումը տվել է g²(0) = 0,142՝ −0,023 և +0,169 անորոշություններով։ Ֆոտոնների միաժամանակյա ժամանման այս չափանիշը ցածր է եղել մեկ ճառագայթիչի մասին վկայող 0,5 շեմից։

Օպտիկական գրգռումը փոխում է մոլեկուլում սպինային խտության տեղաբաշխումը, ինչի հետևանքով փոխվում են նաև սպինային վիճակների միջև էներգետիկ տարբերությունները։ Արդյունքում տարբեր սպինային վիճակներ լույս են կլանում տարբեր հաճախականություններով։ Համապատասխան հաճախականության վրա կարգավորված լազերը կարող է ընտրել վիճակներից մեկը, իսկ առաջացող ֆլուորեսցենցիան բացահայտում է սպինի արձագանքը։

NVision Quantum Technologies-ը, որի թիմը միջերեսը մշակել է քվանտային համակարգչի իր ծրագրի շրջանակում, հայտնել է, որ լույսը պատրաստում և ընթերցում է սպինը։ Լազերային իմպուլսների միջև միկրոալիքները սպինը պտտում են վիճակների միջև այս ու այն կողմ՝ առաջացնելով Ռաբիի տատանումներ՝ սպինի կառավարվող պտույտների չափվող ցուցանիշը։ Այնուհետև լույսը սպինը վերադարձնում է սկզբնական վիճակի՝ հաջորդ ցիկլի համար։

Լույսի գծի լայնությունը և սպինի պահպանման տևողությունը

Սպինն ընտրող օպտիկական անցումների միջև ամենափոքր հաճախականային տարբերությունը շատ ավելի մեծ է եղել, քան առանձին օպտիկական գծի լայնությունը, ինչը լազերին թույլ է տվել տարբերակել վիճակները։ Մեկ ժամից ավելի տևած կրկնակի չափումները նաև ցույց են տվել, որ օպտիկական հաճախականությունները քիչ են փոխվել։

NVision-ը ներկայացրել է սպինի ժամանակային հետևյալ ցուցանիշները։ Կոհերենտությունը ցույց է տալիս, թե որքան ժամանակ է սպինը պահպանում իր քվանտային վիճակը․ պաշտպանիչ միկրոալիքային իմպուլսները ճնշում են շրջապատի խանգարող ազդեցությունը։ Սպինային ռելաքսացիան այլ չափանիշ է, որը նկարագրում է, թե որքան ժամանակում են սպինային վիճակների բնակեցվածությունները վերադառնում դեպի հավասարակշռություն։

Վերլուծություն

Լաբորատոր միջերեսի սահմանափակումները

Միջերեսը պահանջել է կրիոգեն սառեցում, իսկ դրա օպտիկական գիծը մնացել է ավելի լայն, քան գրգռված վիճակի կյանքի տևողությամբ սահմանված սահմանը։ Հեղինակներն այդ լրացուցիչ լայնացման մեծ մասը վերագրում են ջերմությամբ ակտիվացված մոլեկուլային կամ բյուրեղային տատանումներին։ Չափումների ժամանակ վայրկյանում գրանցվել է մոտ 2 000 ֆոտոն։ Գրանցման հաճախականությունը հիմնականում սահմանափակվել է ֆլուորեսցենցիայի 10,8% քվանտային ելքով՝ կլանված ֆոտոնների այն մասնաբաժնով, որն առաջացնում է ֆլուորեսցենցիա, և կախված է եղել նաև միկրոալիքային ներգործությունից։

Շարունակական լուսավորության ազդեցությամբ մոլեկուլներն ի վերջո դադարում են ճառագայթել․ այս գործընթացը կոչվում է ֆոտոսպիտակեցում։ Հեղինակները հայտնել են, որ նկարագրված շարունակական լազերային և միկրոալիքային պայմաններում գնահատված կյանքի տևողությունը եղել է մոտ 119 ժամ՝ չնայած կրիոգեն ջերմաստիճաններում մոլեկուլների քիմիական կայունությանը։

Մոլեկուլները կապելու համար անհրաժեշտ փորձարկումները

NVision-ն այս միջերեսը ներկայացնում է որպես առաջարկվող քվանտային համակարգչի բաղադրիչ, այլ ոչ թե գործող ցանց։ Հետագա հետազոտական քայլերի թվում ընկերությունը նշում է առանձին մոլեկուլների միջև խճճվածության ստեղծումը՝ ընդհանուր քվանտային վիճակի ձևավորումը, և սխալների ուղղումը։

• Օպտիկական խոռոչներ․ NVision-ն առաջարկում է օգտագործել լույսը սահմանափակող կառուցվածքներ՝ ֆոտոնների արտանետումն արագացնելու համար։ Ավելի արագ արտանետումը նաև կլայնացնի օպտիկական գծերը, ուստի սպինն ընտրող անցումները պետք է մնան տարբերակելի։
• Ֆոտոնային չիպեր․ ինտեգրման հաջորդ փորձարկումը պետք է պարզի, թե արդյոք մոլեկուլային միջերեսը կպահպանի իր օպտիկական և սպինային հատկությունները պատրաստված չիպի վրա։
• Միջուկային սպինային հիշողություններ․ ընկերությունն առաջարկում է մոլեկուլի ընտրված դիրքերում տեղադրել այնպիսի իզոտոպներ, ինչպիսին ածխածին-13-ն է։ Նրա հետազոտական ծրագիրը ներառում է գործողություններ, որոնք էլեկտրոնի սպինը կապում են որպես հիշողություն նախատեսված այդ սպիններին։

NVision-ը հայտնել է, որ հաջորդ քայլերից մի քանիսն արդեն իրականացվում են, և առաջիկա ամիսներին սպասում է նոր արդյունքների։