Квантовое состояние отдельных атомов поддалось управлению

Немецкие физики научились контролировать квантовое состояние отдельных атомов в оптической решетке. Подобное устройство пригодится как теоретикам, изучающим поведение квантовых систем, так и будущим практикам, как возможный компонент квантовых компьютеров.

В августе прошлого года эта же группа ученых из Института квантовой оптики им. Макса Планка сообщила о создании системы из отдельных атомов, находящихся в узлах оптической решетки. Они научились не только создавать подобную систему, но и визуализировать распределение отдельных атомов в ней.

Оптическая решетка возникает за счет интерференции двух лазерных лучей - это структура, напоминающая решетку, в узлах которой потенциальная энергия минимальна. Когда в такую структуру помещают охлажденные атомы, то они занимают положения, соответствующие минимуму энергии, и в итоге - "сидят" в потенциальных ямах, узлах решетки.

Потенциал в оптической решетке. Атомы "сидят" в ямах - минимумах потенциальной энергии

Дальнейшее поведение атомов зависит от глубины ямы, если она не слишком велика, то они, благодаря туннелированию, могут попадать в соседние узлы решетки. Если глубина достаточно велика, то атомы не перемещаются и находящаяся в таком состоянии система называется атомным изолятором Мотта.

В своей статье, опубликованной в августовском выпуске Nature, ученые писали, что для дальнейшего применения атомных изоляторов Мотта необходимо научиться управлять состоянием отдельных атомов. Сказано - сделано: теперь им удалось и это.

Принцип управления следующий. При помощи специального фокусирующего объектива луч лазера направляется на отдельный узел решетки. Шаг решетки составлял 532 нм, а точность фокусировки луча была выше, чем 53 нм. Этот луч изменял разность энергий между двумя спиновыми состояниями атома. Вся система при этом подвергалась микроволновому излучению, частота которого как раз соответствовала переходу между двумя состояниями для атома, находящегося под воздействием лазерного луча и в итоге только он менял свой спин, в то время как атомы в остальных узлах решетки не меняли своего состояния. Успешность подобного способа оказалась порядка 95%.

Лазерный луч фокусируется на отдельном атоме и его спин переворачивается из-за взаимодействия с микроволновым излучением

Для наблюдения результатов манипуляций необходимо получить информацию о том, каким из двух возможных спинов обладает каждый атом. Для этого при помощи туннелирования Ландау-Зинера из системы убирались все атомы, обладающие одним из значений спина, а на оставшиеся атомы "смотрели" при помощи специальной процедуры с применением флюоресцентного микроскопа высокого разрешения и лазерных лучей, которые создавали "оптическую патоку" (optical molasses) и вызывали флюоресценцию атомов. Собирая около 5000 фотонов с каждого атома, ученым удалось определять наличие или отсутствие атома в узле решетки с очень высокой точностью.

Помимо квантового туннелирования, которое наблюдали авторы, предложенный метод адресации позволит наблюдать и многие другие явления: квантовую динамику спиновых примесей, передачу энтропии, поведение групп атомов. Он также открывает новые перспективы для квантовой обработки информации. "Изолятор Мотта, в котором на один узел решетки приходится ровно один атом, представляет из себя квантовый регистр, с несколькими сотнями квантовых битов (кубитов) - хорошее начало для масштабируемых квантовых вычислений", - поясняет Стефан Кюр (Stefan Kuhr), один из лидеров исследовательской группы. "Мы показали, что можно получать доступ к каждому атому по отдельности. Для того чтобы атом работал как кубит, необходимо создать суперпозицию двух спиновых состояний. Следующим шагом должна стать реализация так называемых квантовых вентилей - элементарных логических операций между двумя выбранными атомами в решетке.