Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Как известно, одиночные атомы могут выступать в качестве кубитов ― элементов для хранения и передачи информации в квантовых компьютерах. Считается, что последние позволят реализовывать ускоренные методы машинного обучения; рассчитывать поведение многокомпонентных систем, что даст возможность создавать новые материалы, тестировать лекарства на молекулярном уровне, быстро находить ключи к современным системам шифрования данных. Удержание одного атома в оптическом пинцете или, как его еще называют, дипольной ловушке ― первый шаг к созданию массива кубитов и проведению квантовых вычислений. Массив содержит множество атомов, каждый из которых удерживается «своим» оптическим пинцетом.
Нужно уметь не только захватывать атомы, но и корректно их регистрировать. Электронные состояния холодных атомов могут существовать несколько секунд, это довольно долго в контексте квантовых вычислений и поэтому такие атомы удобны для использования в качестве кубитов. Работой с одиночными холодными атомами занимаются около 20-ти научных групп в мире, в России ― только две: в ИФП СО РАН и в Московском государственном университете имени Ломоносова.
Охладить атомы (уменьшить их скорость) нужно при помощи лазерных пучков: поток фотонов из лазера поглощается атомами и замедляет их. Одиночный атом необходимо захватить в ловушку, которая представляет собой тоже лазерный пучок, но с очень острой фокусировкой (несколько микрон). Чтобы сфотографировать атом, нужно за короткое время в сотню миллисекунд «зарегистрировать» инфракрасные фотоны, которые атом рассеивает, находясь в ловушке ― примерно 1000 в секунду. Условия эксперимента требуют, чтобы захваченные атомы регистрировались за короткое время ― тогда их можно будет использовать в качестве кубитов.
Зарубежные научные группы для таких регистраций используют высокочувствительные научные EMCCD-видеокамеры с электронным умножением, но они стоят около пяти миллионов рублей и не поставляются в Россию с 2015 года. Новосибирские физики работали с научной sCMOS-видеокамерой предыдущего поколения, более низкого класса и существенно более дешёвой (около 600 тысяч рублей). Учёные смогли достоверно зарегистрировать атом с минимальным временем экспозиции ― 50 миллисекунд. Это типично для экспериментов, которые проводят исследователи во Франции, Германии, Корее и других странах, используя более совершенные EMCCD-камеры. В последних экспериментах самое длительное время, в течение которого новосибирские ученые наблюдали одиночный атом ― 40 секунд.
Объектив оптического пинцета пришлось разместить как можно дальше от облака холодных атомов, чтобы они не взаимодействовали со стеклом ― диэлектрической поверхностью. Такой процесс может плохо сказаться на дальнейшем проведении двухкубитовых квантовых операций. Был использован длиннофокусный объектив, но в результате было сложнее регистрировать испускаемые атомом фотоны ― их в объектив попадает меньше, когда он находится далеко от атома. Одиночный атом светится слабо, поэтому все его излучение требовалось сфокусировать на один пиксель матрицы видеокамеры.
Впоследствии выяснилось, что если пытаться зарегистрировать одиночный атом, то практически ничего не будет видно на фоне шумов видеокамеры, поскольку лазер пинцета выводит атомы из резонанса с подсвечивающим излучением. Чтобы справиться с этой проблемой, дипольную ловушку выключали на очень короткое время ― не более чем на одну миллионную секунды ― за это время одиночный атом не успевает ее покинуть ― и повторяли так в течение нескольких тысяч циклов, накапливая сигнал за время, когда дипольный лазер выключен. Работа новосибирского коллектива ― первая, в которой реализовано одновременное использование длиннофокусного объектива и sCMOS-видеокамеры.
