Vedcom z Novosibirska sa podarilo zachytiť a vyfotografovať jediný atóm

Vedecká skupina z Ústavu fyziky polovodičov. A. IN. Štátna univerzita Rzhanov SB RAS v Novosibirsku a Technická univerzita uspeli nielen pri fixácii samostatného atómu rubídia v takzvanej optickej pinzete.

Ale tiež „chytiť“ atóm do vytvorenej pasce pomocou videokamery s objektívom s dlhým ohniskom.

Prečo je taký výskum potrebný

Tento úspech je veľmi dôležitý v tom zmysle, že jednotlivé atómy môžu pôsobiť ako qubits - hlavné bunky na zaznamenávanie a prenos informačných tokov v kvantových počítačoch.

Takže fixácia atómu v optickej pinzete (iný názov pre dipólovú pascu) je jedným z najdôležitejších prvkov pri formovaní poľa qubitov a ďalšej implementácii kvantových transformácií.

Je celkom logické, že pole bude obsahovať obrovské množstvo atómov držaných týmto spôsobom, čo znamená, že je potrebné nielen držať, ale aj správne registrovať atómy.

Ako sa vám podarilo vyfotografovať atóm

Vedcov teda čakala veľmi ťažká úloha. Koniec koncov, bolo potrebné spočiatku ochladiť atómy (v takto ochladenej forme môžu elektronické stavy pretrvávajú až pár sekúnd, čo je viac ako dosť pre kvantové počítače) a teda „spomaliť“ ich.

A tiež musí byť v pasci stále fixovaný samostatný atóm, čo nie je nič iné ako špeciálny laserový lúč so zaostrením niekoľkých mikrónov.

A najťažšie bolo stále zachytiť atóm. Koniec koncov, je potrebné skontrolovať registráciu infračervených fotónov rozptýlených atómom v čo najkratšom čase. A podľa experimentálnych podmienok by fixácia atómov mala prebiehať v čo najkratšom čase. Iba v takom prípade ich bude možné použiť ako qubits.

Západní kolegovia používajú na fixáciu vysoko výkonné kamery EMCCD - elektrónové multiplikátory. Ale od roku 2015 neboli dodávané do Ruska a ich cena je asi 5 miliónov rubľov.

Naši špecialisti použili oveľa lacnejší analóg fotoaparátov sCMOS predchádzajúcej generácie a dosiahli úžasné výsledky, a to:

Ukázalo sa, že atóm fixoval s minimálnym možným časom expozície - 50 milisekúnd. Tento čas je porovnateľný s prácou zahraničných kolegov, ktorí používajú ultramoderné a drahé fotoaparáty.

Čo bol hlavný problém, ako sa vyriešil

Ako jeden z autorov štúdie I. Beterov, hlavným problémom bolo, že jeden atóm vyžaruje extrémne slabú žiaru, a preto sa všetko zaostrovanie uskutočňovalo na jednom pixeli matice videokamery.

V priebehu mnohých experimentov bolo možné zistiť, že ak sa pokúsite zaregistrovať iba atóm, je to na pozadí šumu ťažko rozlíšiteľné. Aby sme tento problém obišli, bolo rozhodnuté na krátky čas (o 0,000001 s) vypnúť dipólovú pascu.

Za také krátke časové obdobie atóm jednoducho nemal čas opustiť pascu.

Cyklus zapínania a vypínania sa opakoval rádovo niekoľko tisíckrát, čím sa signál akumuloval počas doby vypínania dipólového lasera.

Toto je prvá práca na svete, keď sa úspešne uskutočnilo kombinované použitie objektívu s dlhým ohniskom a videokamery sCMOS a výsledok bude zaujímavý pre vedcov z celého sveta.

Vedci zverejnili výsledky svojich výskumov na stránkach časopisu „Kvantová elektronika“.

Novosibirskí fyzici sa plánujú naučiť, ako riadiť operácie s jedným qubitom so zvýšenou presnosťou, a tak plynulo pristupovať k operáciám s dvoma qubitmi. Pokračujte teda k „príprave“ logických prvkov kvantového počítača.

Ak sa vám materiál páčil, máte lajk, komentár a predplatné. Ďakujem za pozornosť!