Учёные из Чикагского университета стали первыми свидетелями явления, названного «квантовой суперхимией». Эффект давно был предсказан теоретически, но впервые наблюдался вживую только сейчас. В основе явления лежит коллективное поведение множества атомов, как одного большого атома. Такие «суператомы» будут вести себя иначе в химических реакциях и могут стать источником необычных материалов, что пригодится в сфере квантовых вычислений и не только.
Источник изображения: John Zich / University of Chicago
Отдельные атомы приобретают одинаковые квантовые состояния и становятся неотличимыми друг от друга при сильнейшем охлаждении — возникает так называемый конденсат Бозе–Эйнштейна. Предполагалось, что в таком состоянии облако атомов будет вести себя как один большой атом, что заставит те же химические реакции проходить по-иному. При обычных условиях пара атомов сталкивается и может образовать молекулу. Но что будет, если столкнутся «суператомы» — облака идентичных по своим квантовым свойствам атомов? Как минимум, это ускорит химические реакции, говорит теория. И учёные из Чикагского университета действительно увидели такие процессы.
«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс, — рассказали авторы исследования. — Все они реагируют вместе, как единое целое».
Прежде всего, отметим, идентичность квантовых состояний ведёт к тому, что атомы становятся квантово запутанными. После реакции взаимодействия «суператомов» образуются «супермолекулы» с такими же идентичными квантовыми состояниями, включая запутанность. Ценность таких «суперреакций» в том, что мы получаем возможность создать достаточно большие кубиты — размером от молекул до вполне осязаемых элементов квантовых компьютеров. Такой «суперкубит» будет меньше бояться случайных помех и сможет дольше удерживать квантовые состояния в процессе вычислений. Это своего рода вторжение или масштабирование квантовых микроявлений в наш макромир.
Это открытие может проложить путь к новым технологиям в области квантовой химии, квантовых вычислений и помочь учёным в изучении законов физики. Пока эта суперхимия проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу и включить в неё более сложные молекулы.