Zespół naukowców z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) zaprezentował metodę, która pozwala kontrolować wybrane cząsteczki z niezwykłą, niemalże doskonałą precyzją. Opracowana przez badaczy technika działa w 998 przypadkach na każdy tysiąc prób, co przekłada się na imponujący wskaźnik sukcesu wynoszący 99,8%. To osiągnięcie ma potencjał, by wpłynąć na rozwój wielu dziedzin, od informatyki kwantowej po chemię i badania podstawowe.
Pomocniczy atom pełni rolę pośrednika
Kluczem do sukcesu okazało się podejście, w którym bezpośrednia, trudna manipulacja cząsteczką została zastąpiona działaniem przez pośrednika. Badacze wykorzystali technikę spektroskopii logicznej, pierwotnie rozwijaną dla udoskonalania zegarów atomowych. W centrum eksperymentu znalazł się jon molekularny monohydrydu wapnia, czyli cząstka zbudowana z atomu wapnia i wodoru. Zamiast próbować działać na nią bezpośrednio, naukowcy umieścili obok niej pojedynczy, dodatkowy jon wapnia. Obie naładowane cząstki, uwięzione w tej samej pułapce jonowej, odpychają się wzajemnie, tworząc specyficzny układ. Pojedynczy jon stał się tym samym „tłumaczem” – jest on łatwy do obserwacji i kontroli za pomocą lasera, a poprzez oddziaływanie elektrostatyczne przekazuje informacje o stanie sąsiadującej z nim, kapryśnej cząsteczki.
Czytaj także: Japończycy zakwestionowali podstawy fizyki molekularnej. Cząsteczki chiralne przylegają do magnesów
Schłodzenie układu wydłuża czas obserwacji
Aby cały układ działał stabilnie, niezbędne było jego radykalne schłodzenie. Laserowe chłodzenie pomocniczego jonu wapnia skutkuje również spowolnieniem ruchu termicznego samej cząsteczki. W takim ultra-zimnym środowisku cząsteczka może utrzymywać swój stan rotacyjny przez około 18 sekund, co stanowi dziesięciokrotne wydłużenie w porównaniu z warunkami pokojowymi. Ten pozornie krótki czas jest w świecie kwantowym niezwykle cenny. Daje badaczom tysiące okazji do pomiaru stanu molekuły, zanim zakłóci je promieniowanie cieplne. Mechanizm detekcji jest przy tym bardzo czuły – jak tylko stan cząsteczki ulegnie zmianie, jon pomocniczy natychmiast przestaje emitować charakterystyczne błyski światła. Naukowcy są w stanie wykryć tę różnicę w zaledwie 10 milisekund.
Od czujników po poszukiwanie nowej fizyki
Możliwość tak dokładnej kontroli otwiera drzwi do szeregu potencjalnych zastosowań. Jednym z najbardziej bezpośrednich jest stworzenie niezwykle czułych termometrów kwantowych. Molekuły mogłyby działać jako mikroskopijne czujniki promieniowania termicznego, oferując precyzję niedostępną dla konwencjonalnych przyrządów pomiarowych w próżni. To bezcenne narzędzie dla utrzymania stabilności superdokładnych zegarów atomowych, które są podstawą nowoczesnych systemów nawigacyjnych i telekomunikacyjnych.
Dalsze perspektywy są jeszcze bardziej intrygujące. Ściśle kontrolowane molekuły mogą stać się podstawowymi kubitami w przyszłych komputerach kwantowych lub elementami zaawansowanych sensorów kwantowych. Dla chemików ta technika oznacza szansę na sterowanie reakcjami chemicznymi na najbardziej fundamentalnym, kwantowym poziomie, decydując o tym, które wiązania atomowe powstają, a które ulegają rozerwaniu. Fizycy teoretycy z kolei widzą w tym narzędzie do testowania granic obowiązującego Modelu Standardowego i poszukiwania śladów nowej fizyki.
Czytaj także: Niemożliwe stało się faktem. Naukowcy stworzyli cząsteczkę, która miała nie istnieć
Najbardziej obiecujący jest jednak fakt, że metoda nie jest ograniczona do jednego typu związku chemicznego. Liczba pierwiastków jest skończona, ale możliwych do stworzenia molekuł są wręcz nieskończone ilości. Dzięki opanowaniu techniki ich kontroli, naukowcy zyskują swobodę wyboru idealnego kandydata do konkretnego zadania, czy to w zakresie sensorów, obliczeń, czy badań podstawowych.
Wyniki pracy zespołu NIST zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters 9 grudnia 2025 roku. Choć od demonstracji w laboratorium do praktycznych wdrożeń droga bywa długa, to osiągnięcie pokazuje wyraźnie, że pełne wykorzystanie potencjału molekuł w technologiach kwantowych przestaje być marzeniem, a staje się realnym celem badawczym.