JILA研究人員測(cè)量了巴基球中的數(shù)百個(gè)單個(gè)量子能級(jí)，這是一個(gè)由60個(gè)碳原子組成的球形籠。它是量子力學(xué)史上這一實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)水平分析過(guò)的最大分子。充分理解和控制這種分子的量子細(xì)節(jié)可以產(chǎn)生新的科學(xué)領(lǐng)域和應(yīng)用，例如包含在單個(gè)巴基球中的整個(gè)量子計(jì)算機(jī)。

巴基球，正式名稱(chēng)為巴克敏斯特勒，非常復(fù)雜。由于其巨大的60原子大小，整個(gè)分子具有驚人的大量振動(dòng)方式 - 當(dāng)分子溫暖時(shí)至少100,000,000,000,000,000,000,000,000個(gè)振動(dòng)量子態(tài)。除了布基球的旋轉(zhuǎn)和其他屬性的許多不同的能量狀態(tài)之外。

正如1月4日出版的“ 科學(xué)”雜志所述，JILA團(tuán)隊(duì)使用其頻率梳光譜和低溫緩沖氣體冷卻系統(tǒng)的更新版本來(lái)觀察冷氣態(tài)巴基球中旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)狀態(tài)之間的孤立的，單獨(dú)的能量轉(zhuǎn)換。這是第一次有人能夠以這種形式準(zhǔn)備巴基球來(lái)分析它在量子水平上的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)。

JILA由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校共同運(yùn)營(yíng)。

Buckyballs于1984年首次發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造了巨大的科學(xué)興奮。但NIST / JILA研究員Jun Ye表示，高分辨率光譜可以揭示分子旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)特性的細(xì)節(jié)，但在普通室溫下不起作用，因?yàn)樾盘?hào)過(guò)于擁擠。低溫(約-138攝氏度，即-216華氏度)使研究人員能夠?qū)⒎肿蛹性谧畹湍芗?jí)的單一旋轉(zhuǎn)振動(dòng)量子態(tài)，并用高分辨率光譜探測(cè)它們。

巴基球是已知最對(duì)稱(chēng)的分子，具有足球形狀，稱(chēng)為修飾的二十面體。它足夠小，可以用基本的量子力學(xué)原理完全理解。然而，它足以揭示大型系統(tǒng)中出現(xiàn)的極端量子復(fù)雜性的見(jiàn)解。

作為實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)例子，巴基球可以充當(dāng)60個(gè)原子的原始網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)原子的核心具有相同的屬性，稱(chēng)為“核自旋”，使其能夠與其環(huán)境進(jìn)行磁性相互作用。因此，每個(gè)自旋可以在量子計(jì)算機(jī)中充當(dāng)磁控量子比特或“量子比特”。

“如果我們有一個(gè)由純同位素碳-13制成的布基球，那么每個(gè)原子的核自旋將為1/2，而每個(gè)布基球都可以作為一個(gè)60比特的量子計(jì)算機(jī)，”葉說(shuō)。“當(dāng)然，我們還沒(méi)有這樣的能力;我們需要首先在陷阱中捕獲這些巴基球。”

使用由原子或其他材料制成的量子比特的量子計(jì)算機(jī)是新量子革命的關(guān)鍵部分，它可以解決使用當(dāng)今機(jī)器難以處理的重要問(wèn)題。NIST在量子科學(xué)中占有重要地位。

“還有很多天體物理學(xué)的聯(lián)系，”葉繼續(xù)說(shuō)。“有來(lái)自遠(yuǎn)程碳星的豐富的巴基球信號(hào)”，因此新數(shù)據(jù)將使科學(xué)家能夠更好地了解宇宙。

在他們測(cè)量量子能量水平后，JILA研究人員收集了布基球核旋轉(zhuǎn)值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。他們證實(shí)所有60個(gè)原子都難以區(qū)分，或幾乎完全相同。對(duì)各個(gè)量子態(tài)之間的巴基球的躍遷能量的精確測(cè)量揭示了其原子彼此強(qiáng)烈地相互作用，從而提供了對(duì)其分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和原子之間的力的深入了解。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)，烘箱將固體材料樣品轉(zhuǎn)化為氣態(tài)巴基球。這些熱分子流入固定在低溫冷裝置中的細(xì)胞(容器)中，使得分子通過(guò)與冷氬氣原子的碰撞而冷卻。然后，精確頻率的激光瞄準(zhǔn)冷氣體分子，研究人員測(cè)量了吸收的光量。觀察到的紅外光譜結(jié)構(gòu)編碼了量子力學(xué)能級(jí)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

激光由光頻梳或“光尺”產(chǎn)生，并且瞄準(zhǔn)圍繞冷電池的光學(xué)腔以增強(qiáng)吸收信號(hào)。該梳子在光學(xué)頻率上包含大約1000個(gè)“齒”，跨越整個(gè)巴基球振動(dòng)帶。梳狀光由單光纖激光器產(chǎn)生。