Исследовательская группа, во главе с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и УКОМ Беркли, предлагает использование подобной аккордеону атомной структуры или структуру «решетки», сделанную с лазерным светом заманить атомы в ловушку в расположенных с равными интервалами наноразмерных карманах. Такая основанная на свете структура, которая скопировала особенности, которые до некоторой степени напоминают те из кристалла, является по существу «прекрасной» структурой – свободный от типичных дефектов, найденных в естественных материалах.Исследователи полагают, что они могут точно определить размещение так называемого атома «исследования» в этом кристалле света, и активно настроить его поведение с другим типом лазерного света (почти инфракрасный свет), чтобы заставить атом выкашлять часть своей энергии по требованию в форме частицы света или фотона.Этот фотон, в свою очередь, может быть поглощен другим атомом исследования (в том же самом или различном месте в решетке) в простой форме обмена информацией – как произносимые слова, едущие между двумя связанными с последовательностью консервными банками.
«Наше предложение очень значительное», сказал Сян Чжан, директор по Разделению Материаловедения Berkeley Lab, который привел связанную научно-исследовательскую работу, изданную в апреле в Physical Review Letters. «Мы знаем, что улучшение и сверхбыстрый контроль эмиссии единственного фотона лежат в основе квантовых технологий, в особенности квантовая обработка информации, и это точно, чего мы достигли здесь. Предыдущие предложения могут сделать один или другой, но не оба одновременно».
Чжан – также преподаватель в УКЕ Беркли, директоре Центра Национального научного фонда Масштабируемого и Интегрированного Нанопроизводства и члена энергии Kavli Институт NanoScience в Berkeley Lab и УКЕ Беркли.Панкадж К. Джха, УК Беркли постдокторский исследователь, который является ведущим автором статьи и работ в группе Чжана, сказал, «Теперь мы управляем скоростью выпуска фотона, таким образом, мы можем оптически обработать информацию намного быстрее, и эффективно передавать его от одного пункта до другого».
Среди других ученых, которые способствовали этой работе, Майкл Мреджен, Джеонгмин Ким, Чиххуи Ву, Юань Ван и Юрий В. Ростовцев.Эта способность выпустить фотон по быстрым ставкам и передать его с низкими потерями от одного атома до другого, является жизненным шагом в обработке информации для квантового вычисления, которое могло использовать множество этих выпусков фотона, которыми управляют, чтобы выполнить сложные вычисления намного более быстро, чем возможно в современных компьютерах.Квантовый компьютер, который техническая промышленность и научное сообщество горячо преследуют из-за его потенциала, чтобы выполнить более сложные вычисления, чем, является возможными использующими современными суперкомпьютерами, мог насладиться причудливой квантовой сферой, в которой не применяются обычные правила физики.
В то время как сегодняшние компьютеры могут хранить информацию как биты – или или ноли – квант compter использовал бы «кубиты», в которых отдельная часть информации может одновременно существовать в многократных государствах. Эти кубиты могли принять форму атомов, фотонов, электронов, или как раз когда отдельная фундаментальная собственность частицы, и по экспоненте увеличит число вычислений, компьютер мог выступить немедленно.Неоднородное распределение ультрахолодных атомов в искусственном кристалле – ключ к этому последнему исследованию, сказал Джха. «Это имеет решающее значение для создания и реконфигурируемого квантового метаматериала ‘совершенно’ без потерь», сказал он, позволив оптической структуре искусственного кристалла повторно формироваться от открытой геометрии (гиперболической формы) к закрытой (эллиптической) на той же самой частоте и со сверхбыстрым выбором времени. Это управляемое изменение формы существенно изменяет скорость, на которой атом исследования в искусственном кристалле выпускает фотон.
Последнее предложение предполагает, что возможно ускорить уровень, по которому атом исследования может испустить фотон с наносекунд или миллиардных частей секунды, к пикосекундам или trillionths секунды. Кроме того, этот процесс значительно считают «без потерь», означая, что фотоны не потеряли бы ни одной своей энергии к их окружающей структуре, поскольку они, вероятно, будут в традиционном материале. Это преодолевает одно препятствие к квантовому вычислению и обработке информации.
Атомы, установленные в искусственном кристалле, могли также возможно быть вызваны прыгать от одного места до другого. В этом случае атомы могли самостоятельно служить информационными перевозчиками в квантовом компьютере или быть устроены как квантовые датчики, сказал Джха.Джха отметил, что это последнее исследование женится на исследовании метаматериалов с наукой о «холодных атомах», которые являются атомами, которые замедлили и даже привели в бездействие свет лазера использования, который в процессе охлаждает их, чтобы переохладить температуры. Он сказал, «Эта интеграция решила некоторые выдающиеся проблемы для метаматериальных платформ и выигрывает у других проектов в нескольких ключевых аспектах, крайне важных для квантовых технологий».
Исследователи нашли, что атомы рубидия идеально подходят для этого исследования, однако барий, кальций и атомы цезия могут также быть пойманы в ловушку или установлены в искусственном кристалле, поскольку они показывают подобные энергетические уровни. В то время как искусственный кристалл, используемый в исследовании, описан как одномерный, Джха сказал, что тот же самый подход мог быть легко расширен, чтобы создать 2-е и 3D квантовые кристаллические структуры метаматериала из света.Чтобы понять предложенный метаматериал в фактическом эксперименте, Чжан и Джха сказали, что исследовательская группа должна будет заманить несколько атомов в ловушку за место в решетке в искусственном кристалле, и держать те атомы в решетке, даже когда они взволнованы более высокие энергетические государства.
Чжан сказал, «Berkeley Lab была лидером в инновационном исследовании в метаматериалах, и эта работа могла открыть новые сферы возможностей для квантовых взаимодействий легкого вопроса с соблазнительными применениями в квантовой информатике».Джха добавил, «Мы полагаем, что комбинация этих двух современных сфер науки поможет обратиться к ключевым проблемам в обеих областях и открыть совершенно новое направление исследования в интерфейсе квантовой фотоники и искусственных материалов».
Работа была поддержана американским Офисом Военно-воздушных сил Научного исследования и Фонда Гордона и Бетти Мур.