РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Атом рубидия захватили в оптическую ловушку

Учёные из Института физики полупроводников имени Ржанова Сибирского отделения РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета смогли удержать одиночный атом рубидия в оптическом пинцете в течение сорока секунд и зарегистрировать атом в ловушке с помощью значительно более доступной видеокамеры, применив для получения изображения длиннофокусный объектив.
Тэги:
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку

Как известно, одиночные атомы могут выступать в качестве кубитов ― элементов для хранения и передачи информации в квантовых компьютерах. Считается, что последние позволят реализовывать ускоренные методы машинного обучения; рассчитывать поведение многокомпонентных систем, что даст возможность создавать новые материалы, тестировать лекарства на молекулярном уровне, быстро находить ключи к современным системам шифрования данных. Удержание одного атома в оптическом пинцете или, как его еще называют, дипольной ловушке  ―  первый шаг к созданию массива кубитов и проведению квантовых вычислений. Массив содержит множество атомов, каждый из которых удерживается «своим» оптическим пинцетом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Нужно уметь не только захватывать атомы, но и корректно их регистрировать. Электронные состояния холодных атомов могут существовать несколько секунд, это довольно долго в контексте квантовых вычислений и поэтому такие атомы удобны для использования в качестве кубитов. Работой с одиночными холодными атомами занимаются около 20-ти научных групп в мире, в России  ―  только две: в ИФП СО РАН и в Московском государственном университете имени Ломоносова.

Охладить атомы (уменьшить их скорость) нужно при помощи лазерных пучков: поток фотонов из лазера поглощается атомами и замедляет их. Одиночный атом необходимо захватить в ловушку, которая представляет собой тоже лазерный пучок, но с очень острой фокусировкой (несколько микрон). Чтобы сфотографировать атом, нужно за короткое время в сотню миллисекунд «зарегистрировать» инфракрасные фотоны, которые атом рассеивает, находясь в ловушке  ―   примерно 1000 в секунду. Условия эксперимента требуют, чтобы захваченные атомы регистрировались за короткое время ― тогда их можно будет использовать в качестве кубитов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Зарубежные научные группы для таких регистраций используют высокочувствительные научные EMCCD-видеокамеры с электронным умножением, но они стоят около пяти миллионов рублей и не поставляются в Россию с 2015 года. Новосибирские физики работали с научной sCMOS-видеокамерой предыдущего поколения, более низкого класса и существенно более дешёвой (около 600 тысяч рублей). Учёные смогли достоверно зарегистрировать атом с минимальным временем экспозиции ― 50 миллисекунд. Это типично для экспериментов, которые проводят исследователи во Франции, Германии, Корее и других странах, используя более совершенные EMCCD-камеры. В последних экспериментах самое длительное время, в течение которого новосибирские ученые наблюдали одиночный атом  ―  40 секунд.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Объектив оптического пинцета пришлось разместить как можно дальше от облака холодных атомов, чтобы они не взаимодействовали со стеклом ― диэлектрической поверхностью. Такой процесс может плохо сказаться на дальнейшем проведении двухкубитовых квантовых операций. Был использован длиннофокусный объектив, но в результате было сложнее регистрировать испускаемые атомом фотоны  ―  их в объектив попадает меньше, когда он находится далеко от атома. Одиночный атом светится слабо, поэтому все его излучение требовалось сфокусировать на один пиксель матрицы видеокамеры.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Впоследствии выяснилось, что если пытаться зарегистрировать одиночный атом, то практически ничего не будет видно на фоне шумов видеокамеры, поскольку лазер пинцета выводит атомы из резонанса с подсвечивающим излучением. Чтобы справиться с этой проблемой, дипольную ловушку выключали на очень короткое время ― не более чем на одну миллионную секунды ― за это время одиночный атом не успевает ее покинуть ― и повторяли так в течение нескольких тысяч циклов, накапливая сигнал за время, когда дипольный лазер выключен. Работа новосибирского коллектива ― первая, в которой реализовано одновременное использование длиннофокусного объектива и sCMOS-видеокамеры.

Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Загрузка статьи...