Новосибирские физики захватили и сфотографировали одиночный атом
Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета удержали одиночный атом рубидия в оптическом пинцете в течение сорока секунд. Кроме того, удалось зарегистрировать атом в ловушке с помощью видеокамеры, применив для получения изображения длиннофокусный объектив.
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. Соответственно, нужно уметь не только захватывать атомы, но и корректно их регистрировать, указывают авторы работы.
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 двадцати научных групп в мире, в России ― только две: в ИФП СО РАН и в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова.
«Мы решали сложную проблему, состоящую из нескольких подзадач: во-первых, нужно охладить атомы и уменьшить их скорость, это делается при помощи лазерных пучков — поток фотонов из лазера поглощается атомами и их замедляет. Во-вторых, одиночный атом необходимо захватить в ловушку, которая представляет собой тоже лазерный пучок, но с очень острой фокусировкой ― несколько микрон ― таков характерный размер пятна, в котором удерживается атом.
В-третьих, чтобы сфотографировать атом, нужно за короткое время в сотню миллисекунд “зарегистрировать” инфракрасные фотоны, которые атом рассеивает, находясь в ловушке ― примерно 1000 в секунду (это мало ― бытовая видеокамера их не увидит и не почувствует). Условия нашего эксперимента требуют, чтобы захваченные атомы регистрировались за короткое время ― тогда их можно будет использовать в качестве кубитов», ― объясняет старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук, доцент НГУ Илья Бетеров.
Зарубежные научные группы для таких регистраций используют высокочувствительные научные EMCCD-видеокамеры с электронным умножением, но они дороги ― стоят около пяти миллионов рублей и, к тому же, с 2015 года не поставляются в Россию. Новосибирские физики работали с научной sCMOS-видеокамерой предыдущего поколения, более низкого класса и существенно более дешевой.
Ученые смогли добиться впечатляющих результатов: достоверно зарегистрировали 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.
По наблюдениям исследователя, работа новосибирского коллектива ― первая, в которой реализовано одновременное использование длиннофокусного объектива и sCMOS-видеокамеры, и результат может быть интересен не только российским физикам.
Следующий шаг новосибирских ученых ― научиться выполнять однокубитовые операции с высокой точностью и перейти к двухкубитовым. То есть, «готовить» из холодных атомов логические элементы квантового компьютера, меняя электронные состояния атома и управляя ими.
Детали эксперимента изложены в журнале «Квантовая электроника».
