Forskere sætter fælder for atomer med enkeltpartikelpræcision

Atomer, fotoner, og andre kvantepartikler er ofte lunefulde og finurlige af natur; meget sjældent i stilstand, de kolliderer ofte med andre af slagsen. Men hvis sådanne partikler individuelt kan korreleres og kontrolleres i stort antal, de kan udnyttes som kvantebits, eller qubits-små informationsenheder, hvis tilstand eller orientering kan bruges til at udføre beregninger med hastigheder, der er betydeligt hurtigere end nutidens halvlederbaserede computerchips.

I de seneste år, forskere er kommet på måder at isolere og manipulere individuelle kvantepartikler. Men sådanne teknikker har været svære at skalere op, og manglen på en pålidelig måde at manipulere et stort antal atomer på er stadig en væsentlig vejspærring mod kvanteberegning.

Nu, forskere fra Harvard og MIT har fundet en vej udenom denne udfordring. I et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskab , forskerne rapporterer om en ny metode, der gør dem i stand til at bruge lasere som optisk "pincet" til at vælge individuelle atomer ud af en sky og holde dem på plads. Da atomerne er "fanget, "forskerne bruger et kamera til at skabe billeder af atomerne og deres placeringer. Baseret på disse billeder, de manipulerer derefter laserstrålernes vinkel, at flytte individuelle atomer til et vilkårligt antal forskellige konfigurationer.

Holdet har hidtil skabt arrays med 50 atomer og manipuleret dem til forskellige fejlfrie mønstre, med enkeltatomstyring. Vladan Vuletic, en af ​​papirets forfattere og Lester Wolfe professor i fysik ved MIT, ligner processen med at "bygge en lille krystal af atomer, fra bunden, op."

"Vi har demonstreret en rekonfigurerbar række fælder for enkeltatomer, hvor vi kan forberede op til 50 individuelle atomer i separate fælder deterministisk, til fremtidig brug i kvanteinformationsbehandling kvantesimuleringer, eller præcisionsmålinger "siger Vuletic, som også er medlem af MIT's Research Laboratory of Electronics. "Det er som Legos of atoms, du bygger op, og du kan bestemme, hvor du vil have, at hver blok skal være. "

Papirets andre seniorforfattere er hovedforfatter Manuel Endres og Markus Greiner og Mikhail Lukin fra Harvard University.

Bliver neutral

Holdet designede sin teknik til at manipulere neutrale atomer, der ikke bærer elektrisk ladning. De fleste andre kvanteeksperimenter har involveret ladede atomer, eller ioner, da deres ladning gør dem lettere at fange. Forskere har også vist, at ioner, under visse betingelser, kan fås til at udføre kvanteporte - logiske operationer mellem to kvantebit, ligner logiske porte i klassiske kredsløb. Imidlertid, på grund af deres ladede natur, ioner frastøder hinanden og er svære at samle i tætte arrays.

Neutrale atomer, på den anden side, ikke har noget problem at være i nærheden. Den største hindring for at bruge neutrale atomer som qubits har været, at i modsætning til ioner, de oplever meget svage kræfter og holdes ikke let på plads.

"Tricket er at fange dem, og især at fange mange af dem, "Vuletic siger." Folk har været i stand til at fange mange neutrale atomer, men ikke på en måde, at du kunne danne en regelmæssig struktur med dem. Og for kvanteberegning, du skal kunne flytte bestemte atomer til bestemte steder, med individuel kontrol. "

Indstilling af fælden

For at fange individuelle neutrale atomer, forskerne brugte først en laser til at afkøle en sky af rubidiumatomer til ultrakold, næsten absolut-nul temperaturer, bremser atomerne fra deres sædvanlige, højhastighedsbaner. De ledte derefter en anden laserstråle gennem et instrument, der opdeler laserstrålen i mange mindre stråler, hvis antal og vinkel afhænger af den radiofrekvens, der påføres afbøjningen.

Forskerne fokuserede de mindre laserstråler gennem skyen af ​​ultrakølede atomer og fandt ud af, at hver stråles fokus - det punkt, hvor strålens intensitet var højest - tiltrak et enkelt atom, hovedsageligt plukke det ud fra skyen og holde det på plads.

"Det ligner at oplade en kam ved at gnide den mod noget uld, og bruge det til at samle små stykker papir op, "Vuletic siger." Det er en lignende proces med atomer, som tiltrækkes af områder med høj intensitet af lysfeltet. "

Mens atomerne er fanget, de udsender lys, som forskerne fangede ved hjælp af et kamera med ladningskoblet enhed. Ved at se på deres billeder, forskerne var i stand til at skelne mellem hvilke laserstråler, eller pincet, holdt atomer, og som ikke var. De kunne derefter ændre radiofrekvensen for hver stråle til at "slukke" pincetten uden atomer, og omarrangerer dem med atomer, at oprette arrays, der var fri for defekter. Holdet skabte i sidste ende arrays med 50 atomer, der blev holdt på plads i op til flere sekunder.

"Spørgsmålet er altid, hvor mange kvanteoperationer kan du udføre i denne tid? "siger Vuletic." Den typiske tidsskala for neutrale atomer er omkring 10 mikrosekunder, så du kunne gøre omkring 100, 000 operationer på et sekund. Vi synes, at denne levetid er i orden nu. "

Nu, teamet undersøger, om de kan tilskynde neutrale atomer til at udføre kvanteporte - den mest grundlæggende behandling af information mellem to qubits. Mens andre har demonstreret dette mellem to neutrale atomer, de har ikke været i stand til at fastholde kvanteporte i systemer, der involverer et stort antal atomer. Hvis Vuletic og hans kolleger med succes kan fremkalde kvanteporte i deres systemer med 50 atomer eller mere, de vil have taget et betydeligt skridt i retning af at realisere kvanteberegning.

"Folk vil også gerne lave andre eksperimenter bortset fra kvanteberegning, såsom simulering af kondenseret fysik, med et forudbestemt antal atomer, og nu med denne teknik burde det være muligt, "Vuletic siger." Det er meget spændende. "