Хроматическая аберрация помогла быстро сдвинуть фокус лазерного пучка
Американские физики разработали метод управляемого смещения фокуса лазерного луча с помощью хроматической аберрации. Использование лазерного импульса с изменяющейся длиной волны и дифракционной линзы позволяет контролируемо сдвигать положение фокуса со скоростью, почти в 40 раз превосходящую скорость света, пишут ученые в Nature Photonics.
Сфокусированные сверхмощные лазеры уже сейчас используются в качестве источника электрического и магнитного полей, достаточных для излучения электронами гамма-фотонов. Многие считают, что мощности современных лазерных установок в ближайшее время хватит и для исследования фундаментальных свойств электрон-позитронной плазмы, для образования которой из квантов света требуются еще более сильные поля. При этом одной из проблем при фокусировке лазерных пучков считается слабый контроль положения и размера фокального пятна. Этими параметрами можно управлять за счет изменения радиуса лазерного пучка и фокусного расстояния, что удается делать для излучений небольшой мощности, но крайне затруднительно для мощности в сотни тераватт.
Американские физики из Рочестерского университета под руководством Дастина Фрулы (Dustin H. Froula) предложили способ контролируемого смещения фокуса лазерного пучка со скоростями, близкими к скорости света, с помощью управления хроматической аберрацией. Для этого ученые использовали очень короткий лазерный импульс длительностью от 14 до 65 пикосекунд, в котором длина волны изменялась с течением времени примерно на 9 нанометров (среднее значение — 1054 нанометра). Для фокусировки использовалась дифракционная линза с бороздками, ширина которых уменьшалась от центра к краю. При таком подходе, поскольку из-за хроматической аберрации разные длины волн фокусируются на разном расстоянии от линзы, за время импульса положение фокуса смещается.
Это приводит к тому, что с течением времени меняется и пространственное распределение интенсивности излучения. В проведенном эксперименте физики записали, как картина интенсивности излучения после прохождения линзы меняется с течением времени и рассчитали среднее смещение фокуса для различных параметров начального импульса. Исследователи отмечают, что такой эксперимент стал возможен только с появлением необходимых дифракционных линз, которых в мире всего несколько штук, и возможности записывать сигнал с частотой в сотни гигагерц.
Оказалось, что в использованной учеными конфигурации изменение длины волны на 9 нанометров приводит к смещению фокусного расстояния на 4,5 миллиметра. При этом если длина волны в течение импульса увеличивается, то положение фокуса смещается вперед, а если уменьшается, то назад. Интересно, что в зависимости от длительности импульса, скорость смещения фокуса может быть как меньше скорости света, так и больше: для самых длинных импульсов она составляла примерно 0,1c, а для самых коротких — примерно 39c.
В связи со смещением фокуса меняется и положение пика максимальной интенсивности, что ученым удалось не только измерить экспериментально, но и подтвердить с помощью численных расчетов. По словам авторов работы, такое контролируемое смещение фокуса можно использовать для ускорения фотонов или смягчения возникающей в лазерном пучке дефазировки.
Фокусировка коротких мощных лазерных импульсов — один из важных инструментов для исследовании квантовых эффектов при взаимодействии элементарных частиц с сильными внешними полями. Например, недавно российские ученые показали, что в фокусе сверхмощного лазера может проходить лавинообразное рождение электронов и позитронов, которое приводит к возникновению плазмы рекордно высокой плотности. А с помощью фокусировки лазерных импульсов на струях газа удалось изучить процесс торможения электронов, сопровождающийся излучением высокоэнергетических гамма-квантов.
Александр Дубов
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».