Novosibirsko mokslininkams pavyko užfiksuoti ir nufotografuoti vieną atomą

Puslaidininkių fizikos instituto mokslinė grupė. A. IN. Rzhanov SB RAS Novosibirsko valstybiniam universitetui ir technikos universitetui pavyko ne tik užfiksuoti atskirą rubidžio atomą vadinamuosiuose optiniuose pincetuose.

Bet taip pat „pagaukite“ atomą sukurtose spąstuose naudodami vaizdo kamerą su ilgo fokusavimo objektyvu.

Kodėl reikalingi tokie tyrimai

Šis pasiekimas yra labai svarbus ta prasme, kad pavieniai atomai gali veikti kaip kvitai - pagrindinės ląstelės, skirtos informacijos srautams įrašyti ir perduoti kvantiniuose kompiuteriuose.

Taigi, atomo fiksavimas optiniuose pincetuose (kitas dipolio gaudyklės pavadinimas) yra vienas iš svarbiausių elementų formuojant kubitų masyvą ir toliau įgyvendinant kvantines transformacijas.

Visiškai logiška, kad masyve bus didžiulis tokiu būdu laikomų atomų skaičius, o tai reiškia, kad juos reikia ne tik laikyti, bet ir teisingai registruoti.

Kaip pavyko nufotografuoti atomą

Taigi, mokslininkams teko labai sunki užduotis. Juk reikėjo iš pradžių atvėsti atomus (tokiu atvėsintu pavidalu elektroninės būsenos gali išlieka iki poros sekundžių, o tai yra daugiau nei pakankamai kvantiniams kompiuteriams) ir taip juos „sulėtinti“.

Taip pat gaudyklėje vis tiek turi būti užfiksuotas atskiras atomas, kuris yra ne kas kita, kaip specialus lazerio spindulys, kurio židinys yra keli mikronai.

Ir dar sunkiausia buvo užfiksuoti atomą. Juk per trumpiausią laiką būtina patikrinti atomo išsklaidytų infraraudonųjų spindulių fotonų registraciją. Ir pagal eksperimentines sąlygas atomų fiksacija turėtų vykti per kuo trumpesnį laiką. Tik tokiu atveju bus galima juos naudoti kaip kubitus.

Vakarų kolegos fiksavimui naudoja labai efektyvias EMCCD kameras - elektronų daugiklio vaizdo kameras. Bet nuo 2015 m. Jie nebuvo tiekiami į Rusiją, o jų kaina yra apie 5 milijonus rublių.

Mūsų specialistai naudojo žymiai pigesnį ankstesnės kartos „sCMOS“ kamerų analogą ir pasiekė nuostabių rezultatų:

Paaiškėjo, kad atomą fiksuoti su mažiausiomis galimomis ekspozicijos trukmėmis - 50 milisekundžių. Šis laikas prilyginamas užsienio kolegų, naudojančių itin modernias ir brangias kameras, darbui.

Kokia buvo pagrindinė problema, kaip ji buvo išspręsta

Kaip viena iš tyrimo autorių, aš. Beterov, pagrindinė problema buvo ta, kad vienas atomas skleidžia itin silpną švytėjimą, todėl visas fokusavimas buvo atliekamas viename vaizdo kameros matricos pikselyje.

Atliekant daugybę eksperimentų, buvo galima sužinoti, kad jei jūs tiesiog bandote užregistruoti atomą, tai vargu ar galima atskirti triukšmo fone. Norėdami išspręsti šią problemą, buvo nuspręsta trumpam išjungti dipolio gaudyklę (0,000001 s).

Per tokį trumpą laiką atomas paprasčiausiai neturėjo laiko palikti spąstų.

Įjungimo ir išjungimo ciklas buvo pakartotas kelis tūkstančius kartų, taip kaupiant signalą tuo laikotarpiu, kai dipolinis lazeris buvo išjungtas.

Tai yra pirmasis darbas pasaulyje, kai sėkmingai buvo naudojamas ilgo fokusavimo objektyvo ir „sCMOS“ vaizdo kameros naudojimas, o rezultatas bus įdomus viso pasaulio mokslininkams.

Mokslininkai savo tyrimų rezultatus paskelbė žurnalo puslapiuose „Quantum Electronics“.

Novosibirsko fizikai planuoja išmokti didesnio tikslumo kontroliuoti vieno kubito operacijas ir taip sklandžiai priartėti prie dviejų kubitų operacijų. Taigi pereikite prie kvantinio kompiuterio loginių elementų „paruošimo“.

Jei jums patiko medžiaga, tuomet turite patikti, komentuoti ir užsiprenumeruoti. Ačiu už dėmesį!