Vědcům z Novosibirsku se podařilo zachytit a vyfotografovat jediný atom

Vědecká skupina z Ústavu fyziky polovodičů. A. V. Státní univerzita Rzhanov SB RAS v Novosibirsku a Technická univerzita uspěly nejen v upevnění samostatného atomu rubidia v takzvané optické pinzetě.

Ale také „zachytit“ atom ve vytvořené pasti pomocí videokamery s objektivem s dlouhým ohniskem.

Proč je takový výzkum potřebný

Tento úspěch je velmi důležitý v tom smyslu, že jednotlivé atomy mohou fungovat jako qubits - hlavní buňky pro záznam a přenos informačních toků v kvantových počítačích.

Upevnění atomu v optické pinzetě (jiný název pro dipólovou past) je tedy jedním z nejdůležitějších prvků při tvorbě řady qubitů a další implementaci kvantových transformací.

Je zcela logické, že pole bude obsahovat obrovské množství atomů držených tímto způsobem, což znamená, že je nutné atomy nejen držet, ale také správně registrovat.

Jak se vám podařilo vyfotografovat atom

Vědci tedy stáli před velmi obtížným úkolem. Nakonec bylo nutné atomy nejprve ochladit (v takto ochlazené formě mohou elektronické stavy přetrvávají až pár sekund, což je více než dost pro kvantové počítače) a tedy „zpomalit“ je.

A v pasti musí být stále fixován samostatný atom, což není nic jiného než speciální laserový paprsek se zaostřením několika mikronů.

A nejtěžší bylo stále zachytit atom. Nakonec je nutné zkontrolovat registraci infračervených fotonů rozptýlených atomem v co nejkratším čase. A podle experimentálních podmínek by fixace atomů měla probíhat v co nejkratším čase. Pouze v tomto případě bude možné je použít jako qubits.

Západní kolegové používají k fixaci vysoce účinné kamery EMCCD - elektronové multiplikátorové videokamery. Ale od roku 2015 nebyly dodávány do Ruska a jejich cena je asi 5 milionů rublů.

Naši specialisté použili mnohem levnější analog předchozí generace kamer sCMOS a dosáhli úžasných výsledků, a to:

Ukázalo se, že fixuje atom s minimální možnou dobou expozice - 50 milisekund. Tentokrát je to srovnatelné s prací zahraničních kolegů, kteří používají ultramoderní a drahé fotoaparáty.

Jaký byl hlavní problém, jak byl vyřešen

Jako jeden z autorů studie jsem I. Beterov, hlavním problémem bylo, že jediný atom vyzařuje extrémně slabou záři, a proto bylo veškeré zaostření provedeno na jednom pixelu matice videokamery.

V průběhu mnoha experimentů bylo možné zjistit, že pokud se pokusíte zaregistrovat atom, pak je to na pozadí šumu těžko rozlišitelné. Chcete-li tento problém obejít, bylo rozhodnuto na krátkou dobu (o 0,000001 s) vypnout dipólovou pasti.

Za tak krátkou dobu atom prostě neměl čas opustit pasti.

Cyklus zapnutí a vypnutí se opakoval řádově několik tisíckrát, čímž se akumuloval signál během doby vypnutí dipólového laseru.

Jedná se o první práci na světě, kdy bylo úspěšně provedeno kombinované použití objektivu s dlouhým ohniskem a videokamery sCMOS a výsledek bude zajímavý pro vědce z celého světa.

Vědci zveřejnili výsledky svého výzkumu na stránkách časopisu „Kvantová elektronika“.

Novosibirští fyzici se plánují naučit ovládat operace s jedním qubitem se zvýšenou přesností a hladce tak přistupovat k operacím se dvěma qubity. Pokračujte tedy k „přípravě“ logických prvků kvantového počítače.

Pokud se vám materiál líbil, máte lajk, komentář a předplatné. Děkuji za pozornost!