В последние годы ученые придумали способы изолировать и управлять отдельными квантовыми частицами. Но такие методы было трудно расширить, и отсутствие надежного способа управлять большими количествами атомов остается значительным контрольно-пропускным пунктом к квантовому вычислению.
Теперь, ученые из Гарварда и MIT нашли путь вокруг этой проблемы. В работе, опубликованной сегодня в журнале Science, исследователи сообщают о новом методе, который позволяет им использовать лазеры в качестве оптического «пинцета», чтобы выбрать отдельные атомы из облака и держать их в месте. Поскольку атомы «пойманы в ловушку», ученые используют камеру, чтобы создать изображения атомов и их местоположений. На основе этих изображений они тогда управляют углом лазерных лучей, чтобы переместить отдельные атомы в любое количество различных конфигураций.
Команда до сих пор создала множества 50 атомов и управляла ими в различные образцы без дефекта с контролем единственного атома. Vladan Vuletic, один из авторов газеты и профессора Лестера Вольфа Физики в MIT, уподобляет процесс «строительству маленького кристалла атомов, от основания,».
«Мы продемонстрировали реконфигурируемое множество ловушек для единственных атомов, где мы можем подготовить до 50 отдельных атомов в отдельных ловушках детерминировано, для будущего использования в квантовой обработке информации, квантовых моделированиях или измерениях точности», говорит Вулетик, который является также членом Научно-исследовательской лаборатории MIT Электроники. «Это похоже на Legos атомов, которые Вы создаете, и Вы можете решить, где Вы хотите, чтобы каждый блок был».Другие ведущие авторы газеты – ведущий автор Мануэль Эндрес и Маркус Грайнер и Михаил Лукин из Гарвардского университета.
Нейтральное пребываниеКоманда проектировала свою технику, чтобы управлять нейтральными атомами, которые не несут электрического обвинения.
Большинство других квантовых экспериментов включило заряженные атомы или ионы, поскольку их обвинение делает их более легко trappable. Ученые также показали, что ионы, при определенных условиях, могут быть сделаны выполнить квантовые ворота – логические операции между двумя квантовыми битами, подобными логическим вентилям в классических схемах. Однако из-за их заряженного характера, ионы отражают друг друга и трудные собраться в плотных множествах.У нейтральных атомов, с другой стороны, нет проблемы при нахождении в непосредственной близости.
Главное препятствие использованию нейтральных атомов как кубиты состояло в том, что, в отличие от ионов, они испытывают очень слабые силы и легко не проводятся в месте.«Уловка должна заманить их в ловушку, и, в частности, чтобы заманить многих в ловушку из них», говорит Вулетик. «Люди были в состоянии заманить много нейтральных атомов в ловушку, но не способом, что Вы могли сформировать регулярную структуру с ними. И для квантового вычисления, Вам необходимо переместить определенные атомы в определенные местоположения с отдельным контролем».Поставление капкана
Чтобы заманить отдельные нейтральные атомы в ловушку, исследователи сначала использовали лазер, чтобы охладить облако атомов рубидия к ультрахолоду, температурам почти абсолютного нуля, замедляя атомы от их обычных, быстродействующих траекторий. Они тогда направили второй лазерный луч через инструмент, который разделяет лазерный луч на многие меньшие лучи, число и угол которого зависят от радиочастоты, относился к дефлектору.Исследователи сосредоточили меньшие лазерные лучи через облако ультрахолодных атомов и нашли, что центр каждого луча – пункт, в котором интенсивность луча была самой высокой – привлек единственный атом, по существу выбрав его из облака и удерживания его в месте.«Это подобно завышению цену расчески при протирке его обо что-то шерстяное, и использовании его, чтобы взять маленькие листки бумаги», говорит Вулетик. «Это – подобный процесс с атомами, которые привлечены в области высокой интенсивности светлой области».
В то время как атомы пойманы в ловушку, они излучают свет, который ученые захватили использование камеры двойного устройства обвинения. Смотря на их изображения, исследователи смогли различить, какие лазерные лучи или пинцет, держали атомы и которые не были.
Они могли тогда изменить радиочастоту каждого луча, чтобы «выключить» пинцет без атомов, и перестроить тех с атомами, создать множества, которые были без дефектов. Команда в конечном счете создала множества 50 атомов, которые проводились в месте для до нескольких секунд.«Вопрос всегда, сколько квантовых операций Вы можете выступить в это время?» Вулетик говорит. «Типичные временные рамки для нейтральных атомов составляют приблизительно 10 микросекунд, таким образом, Вы могли сделать приблизительно 100 000 операций через секунду.
Мы думаем на данный момент, что эта целая жизнь прекрасна».Теперь, команда занимается расследованиями, могут ли они поощрить нейтральные атомы выполнять квантовые ворота – самая основная обработка информации между двумя кубитами. В то время как другие продемонстрировали это между двумя нейтральными атомами, они не были в состоянии сохранить квантовые ворота в системах, включающих большие количества атомов. Если Vuletic и его коллеги могут успешно вызвать квантовые ворота в их системах 50 атомов или больше, они сделают значительный шаг к пониманию квантового вычисления.
«Люди также хотели бы сделать другие эксперименты кроме квантового вычисления, такие как моделирование физики конденсированного вещества, с предопределенным количеством атомов, и теперь с этой техникой это должно быть возможно», говорит Вулетик. «Это очень захватывающе».Это исследование было поддержано частично Национальным научным фондом и Наукой Национальной безопасности и Техническим Товариществом Способности.