Российским ученым удалось захватить и сфотографировать одиночный атом

Группа исследователей из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета достигла успеха в удержании единичного атома рубидия в оптической ловушке на протяжении сорока секунд. Об этом сообщает пресс-служба ИФП СО РАН. Кроме того, ученым удалось зарегистрировать наличие атома в ловушке, используя видеокамеру, значительно более доступную по цене, чем те, что обычно применяются в подобных исследованиях, а для получения изображения был использован длиннофокусный объектив. Подробное описание эксперимента опубликовано в журнале «Квантовая электроника».
Одиночные атомы рассматриваются как потенциальные кубиты базовые элементы для хранения и передачи информации в квантовых вычислительных устройствах. Предполагается, что квантовые компьютеры откроют новые возможности для ускоренного машинного обучения, моделирования сложных многокомпонентных систем (что позволит создавать инновационные материалы и тестировать лекарственные препараты на молекулярном уровне) и быстрого взлома современных систем шифрования данных.
Удержание отдельного атома в оптическом пинцете, также известном как дипольная ловушка, является первым шагом на пути к созданию массива кубитов и реализации квантовых вычислений. Такой массив состоит из множества атомов, каждый из которых удерживается индивидуальным оптическим пинцетом. Следовательно, необходимо не только уметь захватывать атомы, но и эффективно их регистрировать.
Состояние электронов холодных атомов может сохраняться в течение нескольких секунд, что является значительным временем в контексте квантовых вычислений, что делает такие атомы удобными для использования в качестве кубитов. В мире около 20 научных групп занимаются изучением одиночных холодных атомов, и в России таких групп всего две: в ИФП СО РАН и в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова.
«Мы решали многогранную задачу, состоящую из нескольких этапов: во-первых, необходимо охладить атомы (снизить их скорость), что достигается с помощью лазерных лучей: поток фотонов из лазера поглощается атомами, замедляя их движение. Во-вторых, отдельный атом нужно захватить в ловушку, которая также представляет собой лазерный луч, но с очень точной фокусировкой размер пятна, удерживающего атом, составляет всего несколько микрон. И в-третьих, для визуализации атома необходимо за короткое время (порядка ста миллисекунд) "зафиксировать" инфракрасные фотоны, рассеиваемые атомом, находящимся в ловушке около 1000 фотонов в секунду (это незначительное количество, которое не может быть зафиксировано обычной видеокамерой). Условия нашего эксперимента требуют быстрой регистрации захваченных атомов, чтобы их можно было использовать в качестве кубитов», поясняет Илья Игоревич Бетеров, старший научный сотрудник ИФП СО РАН, доцент НГУ, кандидат физико-математических наук.
Зарубежные исследовательские группы для регистрации атомов используют высокочувствительные научные EMCCD-видеокамеры с электронным умножением, но их стоимость высока (около пяти миллионов рублей), и, кроме того, они не поставляются в Россию с 2015 года. Новосибирские физики использовали научную sCMOS-видеокамеру предыдущего поколения, более доступную по цене (около шестисот тысяч рублей). Ученым удалось добиться впечатляющих результатов: они достоверно зарегистрировали атом с минимальным временем экспозиции 50 миллисекунд. Это типично для экспериментов, проводимых исследователями во Франции, Германии, Корее и других странах, использующими более совершенные EMCCD-камеры. В последних экспериментах максимальное время наблюдения одиночного атома новосибирскими учеными составило 40 секунд.
«Нам пришлось максимально отдалить объектив оптического пинцета от облака холодных атомов, чтобы исключить их взаимодействие со стеклом (диэлектрической поверхностью). Это взаимодействие может негативно повлиять на проведение двухкубитовых квантовых операций. Поэтому мы использовали длиннофокусный объектив, что усложнило регистрацию испускаемых атомом фотонов, так как их количество, попадающее в объектив, уменьшается с увеличением расстояния до атома. Кроме того, отдельный атом излучает очень слабо, поэтому требовалось сфокусировать все его излучение на одном пикселе матрицы видеокамеры. Однако, при прямой регистрации одиночного атома мы практически не видели сигнала на фоне шумов видеокамеры, поскольку лазер пинцета выводит атомы из резонанса с подсвечивающим излучением. Для решения этой проблемы мы кратковременно отключали дипольную ловушку (не более чем на одну миллионную секунды, за которую атом не успевает ее покинуть) и повторяли этот цикл несколько тысяч раз, накапливая сигнал во время отключения дипольного лазера», добавляет Илья Бетеров.
По словам исследователя, работа новосибирской группы является первой, в которой одновременно используются длиннофокусный объектив и sCMOS-видеокамера, и этот результат может быть интересен не только российским физикам.
«Зарубежные группы также могут испытывать финансовые ограничения, и возможность приобрести ущественно более дешевую видеокамеру, обеспечивающую приемлемый для эксперимента результат, важна для всех», отмечает Илья Бетеров.
Следующим шагом новосибирских ученых является освоение однокубитовых операций с высокой точностью и переход к двухкубитовым. Другими словами, они планируют "создавать" из холодных атомов логические элементы квантового компьютера, изменяя и контролируя электронные состояния атомов. Информация взята с портала «Научная Россия».

Обратите внимание: в июле будет то, чего не видели с 1865 года: Синоптики cказали россиянам, к каким сюрпризам готовиться