Overraskende kommunikation mellem atomer kunne forbedre kvanteberegning

En gruppe fysikere fra University of Wisconsin-Madison har identificeret forhold, hvor relativt fjerne atomer kommunikerer med hinanden på måder, som tidligere kun var set i atomer tættere sammen - en udvikling, der kunne have anvendelser til kvanteberegning.

Fysikernes resultater, offentliggjort 14. oktober i tidsskriftet Fysisk gennemgang A , åbne op for nye muligheder for at generere sammenfiltrede atomer, udtrykket givet til atomer, der deler information på store afstande, som er vigtige for kvantekommunikation og udviklingen af ​​kvantecomputere.

"At bygge en kvantecomputer er meget hårdt, så en tilgang er, at du bygger mindre moduler, der kan tale sammen, " siger Deniz Yavuz, en UW-Madison fysikprofessor og seniorforfatter af undersøgelsen. "Denne effekt, vi ser, kan bruges til at øge kommunikationen mellem disse moduler."

Det aktuelle scenarie afhænger af samspillet mellem lys og elektronerne, der kredser om atomer. En elektron, der er blevet ramt med en foton af lys, kan exciteres til en højere energitilstand. Men elektroner hader overskydende energi, så de smider det hurtigt ved at udsende en foton i en proces kendt som henfald. De fotoner, atomer frigiver, har mindre energi end dem, der booster elektronen op - det samme fænomen, der får nogle kemikalier til at fluorescere, eller nogle vandmænd for at have en grøn-glødende ring.

"Nu, problemet bliver meget interessant, hvis du har mere end et atom, " siger Yavuz. "Tilstedeværelsen af ​​andre atomer modificerer hvert atoms henfald; de taler med hinanden."

Hvis et enkelt atom henfalder på et sekund, for eksempel, så kan en gruppe af samme type atom henfalde på mindre – eller mere – end et sekund. Timingen afhænger af forholdene, men alle atomer henfalder med samme hastighed, enten hurtigere eller langsommere. Indtil nu, denne type korrelation er kun blevet observeret, hvis atomerne er inden for omkring en bølgelængde af det udsendte lys fra hinanden. For rubidium atomer, brugt af Yavuz og hans kolleger, det betyder inden for 780 nanometer - lige ved kanten mellem bølgelængden af ​​rødt og infrarødt lys.

Forskerne ønskede at se, hvordan større afstande mellem atomerne ville påvirke henfaldet af rubidium-atomer. Hvis den fremherskende idé var korrekt, så ville to rubidiumatomer længere fra hinanden end 780 nanometer virke som individuelle atomer, hver giver den karakteristiske enkelt-atom henfaldsprofil.

I deres eksperimenter, de immobiliserede først en gruppe rubidiumatomer ved at laserkøle dem til lige lidt over det absolutte nulpunkt, den temperatur, hvor atombevægelsen ophører. Derefter, de skinnede med en laser ved rubidiums excitationsbølgelængde for at aktivere elektroner, som henfalder, mens de udsender en foton ved de karakteristiske 780 nm. De kunne derefter måle intensiteten af ​​den udsendte foton over tid og sammenligne den med henfaldsprofilen for et enkelt rubidiumatom.

"I vores tilfælde, vi viste, at atomerne kan være så langt væk som fem gange bølgelængden, og stadig er disse gruppevirkninger udtalte - henfaldet kan være hurtigere, end hvis atomet var der af sig selv, eller langsommere, " siger Yavuz. "Den anden ting, vi viste, er, hvis du ser på tidsdynamikken i forfaldet, den kan starte hurtigt og derefter blive langsommere. Det skifter, og den kontakt var aldrig set før."

Med denne nye indsigt i at opbygge korrelationer mellem atomer, Yavuz og hans forskergruppe undersøger deres resultaters kvantecomputeranvendelser. De undersøger hvilke eksperimentelle forhold, der fører til forskellige typer af korrelerede tilstande, som kan føre til sammenfiltring og effektiv transmission af kvanteinformation.