Впервые исследователи выстреливают и «ловят» отдельные атомы с помощью лазеров

Впервые команде из Корейского института науки и технологии (KAIST) удалось создать «летающие атомы», запуская их из одного лазера в другой. По мнению исследователей, этот подход может быть использован в фундаментальных исследованиях, таких как низкоэнергетические одноатомные столкновения, а также в квантовых вычислениях на основе летающих кубитов.

В отличие от предыдущих экспериментов с использованием оптического пинцета для захвата и манипулирования отдельными атомами, здесь атомы не «направляются» лазерным лучом, который мог бы их поймать; они фактически выбрасываются одним пинцетом, а затем ловятся вторым, отмечает команда. «Одиночные атомы, перемещающиеся из одного места в другое, создадут летающую квантовую память, которая может быть использована как для квантовой связи, так и для квантовых вычислений«, — объясняют Хансуб Хванг и его коллеги в своей статье.

Хотя преимущество летающих кубитов может быть утрачено, если они постоянно взаимодействуют с направляющими средствами, особенно в переполненной атомной решетке — кубиты очень чувствительны к внешним возмущениям — здесь это ограничение больше не возникает, поскольку время контакта между зажимами и атомами сокращено до минимума. Исследователи сообщают о «скорости свободного полета 0,65 м/с на расстояние 12,6 микрометра, с эффективностью транспортировки 94%, даже в присутствии других оптических пинцетов или атомов на пути«.

Оптические пинцеты — или однолучевые ловушки градиента силы — это приборы, использующие высокосфокусированный лазерный луч для захвата и перемещения микроскопических диэлектрических частиц (атомов, молекул, микробусинок, биологических объектов и т.д.).

Лазерный луч создает градиент электромагнитного поля. Диэлектрическая частица с более высоким показателем преломления, чем окружающая среда, испытывает силу, которая тянет ее к этому градиенту интенсивности света. В то же время часть лазерного излучения отражается от частицы, создавая давление излучения, называемое силой рассеяния, которая стремится толкнуть частицу вдоль оси распространения. Таким образом, ловушка полагается на баланс между двумя противоположными силами: силой, обусловленной градиентом, и радиационным давлением, оказываемым рассеянием света на частице.

Движение луча изменяет баланс сил на частице, и частица мгновенно перемещается вместе с лучом.

Одиночные атомы, манипулируемые с помощью оптического пинцета, привлекают особое внимание из-за их перспективного использования в качестве элементарных носителей квантовой информации. В последние годы несколько сотен отдельных атомов были динамически перегруппированы с помощью оптического пинцета для формирования бездефектных атомных массивов.

Для своих экспериментов исследователи KAIST использовали чрезвычайно холодные атомы рубидия при температуре 40 мкК — на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Используя первый оптический пинцет, они нацеливались на атом, чтобы привести его в движение; затем включался второй лазер, чтобы «поймать его в полете» и привести в нужное место. Таким образом, оптические пинцеты используются уже не как «носители атомов», а как ускорители (пускатели) и замедлители (улавливатели) атомов, объясняют они.

Эта производительность ограничена только текущими настройками оптического пинцета, потенциальная глубина и ширина которого ограничены, отмечают исследователи.

«Эти летающие атомы имеют практическое преимущество для формирования бездефектных сетей атомов в квантовых вычислениях, основанных на взаимодействии атомов Ридберга«, — резюмируют исследователи. Следует отметить, что некоторые атомы в эксперименте не были успешно пойманы вторым оптическим пинцетом. Тем не менее команда указывает на перспективные будущие приложения в области квантовой обработки информации, такие как летающая квантовая память и квантовые вычисления на основе летающих атомов.

Этот подход может сделать возможным создание более мощных квантовых компьютеров из ультрахолодных атомов. В этих компьютерах каждый атом хранит информацию; атомы расположены в плотных сетках, чтобы они могли легко взаимодействовать с соседними атомами. По сравнению с методами наведения, использовавшимися до сих пор, возможность запуска атома в определенную точку на этой сетке является интересным подходом, поскольку это позволит исправить ошибки или заменить атом без нарушения окружающих атомов.

Команда также отмечает, что в квантовой обработке информации большинство современных архитектур квантовых вычислений статичны, поэтому взаимодействие между кубитами носит локальный характер. Летающие атомы могут позволить построить динамическую квантовую архитектуру.