Ученые, исследующие, как атомы взаимодействуют друг с другом, теперь получили новое понимание типа взаимодействия, которое может способствовать продвижению квантовой обработки информации.
Ожидается, что будущие компьютеры будут использовать законы квантовой физики для выполнения определенных задач в мгновение ока, которые требуются десятилетия для современных компьютеров. Физики из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге под Мюнхеном теперь получили фундаментальное представление об атомном ансамбле определенного типа — так называемом ридберговском газе — который мог бы сыграть роль в будущем проектировании квантового компьютера. Они наблюдали, как «супер-атомы» образуются в газе, и упорядочивались в геометрических формах, таких как треугольники и квадраты. В будущем исследователи намерены контролировать количество и геометрическую конфигурацию этих суператомов. Это было бы важным шагом на пути к масштабируемой системе квантовой обработки информации.
Как и когда квантовые компьютеры начнут работать, пока неизвестно. Тем не менее, существуют различные предложения для систем, которые они могут использовать для вычисления. Одним из примеров является ультрахолодный ансамбль из множества атомов, закрепленных светом в искусственном кристалле. Атомы такого квантового газа должны работать согласованно, подобно тому, как сложные элементы электронной схемы решают сложные проблемы. Ученые, работающие с Иммануилом Блохом, директором Института квантовой оптики Макса Планка, изучают, как атомы взаимодействуют друг с другом, и теперь они получили новое понимание типа взаимодействия, которое может способствовать продвижению квантовой обработки информации.
Питер Шаус и его коллеги охладили газ из нескольких сотен атомов рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю, и затем загрузили их в так называемую оптическую решетку. Такая решетка образована интерференционной картиной на пересечении нескольких лазерных лучей, при этом интенсивность света поочередно варьируется между максимумами и минимумами. Когда атомы рубидия попадают в решетку, они взаимодействуют с лазерным светом и мигрируют в ямочки того, что похоже на ящик для яиц. В конце концов, атомы оказываются равномерно распределенными по решетке с ровно одним атомом в каждом углублении.
«Суператомы» позволяют переключать состояния на большие расстояния.
Впоследствии ученые создали, как известно, возбуждения Ридберга в атомном ансамбле, направив другой лазерный луч на газ. Физики называют атом Ридберга сильно возбужденным атомом, в котором электроны вращаются вокруг ядра на гораздо большем расстоянии, чем обычно. Размер атома, то есть области, занимаемой электронной оболочкой, может быть увеличен более чем в тысячу раз и достигнуть диаметра в несколько сотен нанометров. Такие огромные атомы очень чувствительно реагируют на электрические поля. Нобелевский лауреат этого года Серж Харош, например, использовал ридберговские атомы для измерения квантово-механического состояния легких частиц, не разрушая их. Чрезвычайная чувствительность ридберговских атомов к электрическим полям именно поэтому они могут оказаться полезными для квантовой обработки информации.
Обычно, только те атомы рубидия, которые лежат в одной и той же ямке коробки с яйцами, взаимодействуют друг с другом. Однако для квантовой обработки информации было бы важно, чтобы взаимодействия были возможны на более длинных расстояниях внутри атомного ансамбля, чтобы — по аналогии с транзистором — состояние одного атома могло переключать состояние другого атома в ридберговском состоянии, что обеспечивает такие взаимодействия, так как исследователи из Гархинга теперь проиллюстрировали это, наблюдая пространственное расположение ридберговских возбуждений. «Отдельные атомы в газе, однако, не были возбуждены к ридберговским атомам в эксперименте; каждое ридберговское возбуждение распределялось по нескольким атомам в соответствии с законами квантовой механики. Это коллективное возбуждение ведет себя как четко определенная частица, охватывающая множество атомов, в некотором смысле как «суператом».
Несколько ридберговских возбуждений взаимодействуют друг с другом на расстоянии
Петер Шаус и его коллеги должны были создать несколько возбуждений Ридберга в атомном ансамбле, чтобы наблюдать взаимодействие на больших расстояниях. Им удалось продлить длительность импульса лазерного возбуждения. Наконец, они определили количество и положение «суператомов», используя методику измерений, разработанную в группе. Грубо говоря, они вызывали свечение возбуждений, возбуждая их лазерным лучом подходящей частоты, а затем определяли местоположение этого свечения, просто фотографируя его высокочувствительной цифровой камерой.
Таким образом, исследователи заметили, что суператомы ведут себя так, как будто они избегают друг друга: когда они создают два или более возбуждения Ридберга в атомном ансамбле, они всегда появляются с минимальным разделением между ними. Причиной такой взаимной блокады являются так называемые силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы возникают между двумя атомами или молекулами в результате колебаний электрических зарядов в их электронных оболочках, во время которых временно возникают электрические плюс и минус полюса. Силы Ван-дер-Ваальса в основном привлекательны, но также могут быть отталкивающими. В эксперименте Garching, последний был случай. В результате возник некоторый радиус блокады, который заставил «суператомы» вести себя в определенной степени как твердые сферы, которые не проникают друг в друга. «Было действительно здорово, когда в атомном ансамбле возникло три или более таких« суператома », — говорит Питер Шаус. Три возбуждения Ридберга упорядочились в равносторонние треугольники, четыре в квадраты и пять в правильные пятиугольники. Однако то, как эти геометрические фигуры были ориентированы в плоскости оптической решетки, варьировалось. «На каждой картинке многоугольник был ориентирован случайным образом».
Только квантово-механическая система многих тел полезна для квантовых вычислений.
«Суператомы» вели себя в соответствии с фундаментальной тенденцией природы образовывать упорядоченные и компактные структуры », — пояснил Петер Шаус. Этот принцип приводит, например, к тому, что атомы или молекулы объединяются в кристаллы с правильной структурой. Как следствие, исследователи в Гархинге обнаружили нечто близкое к ридберговским кристаллам. «Это экзотическая фаза материи, которая никогда ранее непосредственно не наблюдалась», — говорит физик Марк Шено, который участвовал в эксперименте.
После этого открытия ученые исследовали, могут ли геометрические закономерности возбуждений Ридберга, которые они наблюдали, описываться классической механикой или только квантовой механикой. В классическом смысле три ридберговских возбуждения сгруппировались бы в треугольник с четко определенной ориентацией, но эта ориентация изменялась бы каждый раз, когда мы воспроизводим эксперимент. В квантовом смысле треугольник будет одновременно во всех возможных ориентациях, пока мы не заставим атомы Ридберга светиться. «Этот вопрос важно решить, поскольку квантовые компьютеры должны будут использовать всю мощь квантовой механики. Таким образом, система, содержащая ридберговские возбуждения, будет полезна только в том случае, если последние образуют квантово-механическое состояние многих тел. «Чем лучше мы, физики, можем контролировать такие квантово-механические системы,
Целью является больший контроль над возбуждением Ридберга
Если исследователи в Гархинге действительно создали квантово-механическую систему многих тел, то состояние системы возникает из суперпозиции геометрических структур, наблюдаемых с различным числом ридберговских возбуждений и / или различными ориентациями на плоскости.
Питер Шаус и его коллеги обнаружили четкое указание на то, что возбуждения Ридберга образуют квантово-механическое состояние многих тел. Они измерили зависимость среднего числа ридберговских возбуждений в газе от атомов рубидия от длительности возбуждения лазерного импульса. Динамика оказалась в 10 раз быстрее, чем ожидалось для классического состояния, но хорошо согласуется с моделью, предполагающей квантовое состояние. Это обнадеживает, но еще не является определенным доказательством чистой квантово-механической природы геометрических структур. В качестве следующего шага исследователи в Гархинге намерены создать настоящий ридберговский кристалл с четко определенным числом ридберговских возбуждений. Петер Шаус считает, что это может быть настоящим испытанием. «Цель состоит в том, чтобы достичь полного контроля над квантово-механической системой многих тел», — говорит физик. Для выполнения сложных операций с квантовым компьютером может потребоваться контролировать как можно больше возбуждений Ридберга. В долгосрочной перспективе освоение ридберговских газов может облегчить создание масштабируемой системы для квантовой обработки информации, то есть системы, которая может быть расширена без больших дополнительных усилий и затрат.
Ссылка: Питер Шаус, Марк Шено, Мануэль Эндрес, Такеши Фукухара, Себастьян Хильд, Ахмед Омран, Томас Пол, Кристиан Гросс, Стефан Кур и Иммануил Блох, Наблюдение пространственно упорядоченных структур в двумерном ридберговском газе
