Ионы «заблокировали» ридберговские атомы в бозе-конденсате

Немецкие физики экспериментально показали, что ионы «блокируют» образование ридберговских атомов в холодном бозе-конденсате атомов рубидия-87. Для этого ученые «отрывали» электроны от атома и «перетаскивали» получившийся ион с помощью электрического поля, одновременно пытаясь возбудить атомы в его окрестности. Открытый учеными эффект можно использовать для создания квантового компьютера или для точного измерения электрического поля. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В прошлом году группа ученых под руководством Михаила Лукина построила рекордный 51-кубитный квантовый компьютер, в котором в качестве кубитов выступали ридберговские атомы, пойманные в оптическую ловушку. Ридберговский атом — это очень сильно возбужденный атом, внешний электрон которого находится на уровне со значением главного квантового числа n ~ 100÷1000. Хотя такое состояние является неустойчивым, электроны не могут моментально «свалиться» на основной уровень, поэтому время жизни ридберговского атома может достигать нескольких секунд; в свою очередь, размеры таких атомов могут составлять десятые доли миллиметра. Несмотря на то, что построенный физиками компьютер не был универсальным, ученые могли точно контролировать состояние системы и рассчитали с ее помощью эволюцию цепочки спинов, которая описывается одномерной моделью Изинга. Считается, что точно смоделировать такую систему на обычном компьютере невозможно, то есть физики достигли так называемого квантового превосходства. Более подробно про компьютер группы Лукина можно прочитать в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».

Важную роль в работе квантового компьютера группы Лукина играло явление «ридберговской блокады», суть которого заключается в следующем. Ридберговские атомы имеют очень большой размер, а потому даже в сильно разреженном атомном газе влияют на соседние атомы и сдвигают их энергетические уровни. Предположим, что мы возбудили атом с помощью лазерного импульса и перевели его в ридберговское состояние. Поскольку атом «сдвигает» энергетические уровни своих соседей, они выходят из резонанса с частотой лазера, и возбудить их с помощью такого же импульса не получится — ридберговские атомы будто бы «блокируют» друг друга. В результате в бозе-конденсате образуются чередующиеся группы атомов, квантовые состояния которых можно использовать для вычислений.

Группа ученых под руководством Флориана Мейнера (Florian Meinert) показала, что образование ридберговских атомов в бозе-конденсате можно подавить и другим способом, полностью отрывая электроны от атомов конденсата и превращая их в ионы. По аналогии с «ридберговской блокадой», физики назвали это явление «блокадой возбуждений». Сначала исследователи теоретически показали, что ион действительно «сдвигает» энергетические уровни своих соседей. Учитывая, что на больших расстояниях, на которых кулоновское поле падает ниже предела Инглиса-Теллера, взаимодействие атомов описывается изотропным поляризационным потенциалом: V ≈ −C₄/2R⁴, где R — расстояние между атомами, а C₄ — квадрупольный электрический момент. Если сдвиг, создаваемый этим потенциалом, превышает расстояние между энергетическими уровнями атома Γ, он не может перейти в ридберговское состояние. В результате вокруг иона образуется сфера «блокады» радиусом R ≈ [C₄/2Γ]^¼. Для ридберговских состояний со значением главного квантового числа n = 90 расстояние между уровнями Γ ≈ 1,1 мегагерц, а радиус «блокады» R ≈ 23 микрометра.

Затем ученые проверили на практике, что этот эффект действительно возникает. Для этого они приготовили бозе-конденсат из 120 тысяч атомов рубидия-87, пойманных в оптическую ловушку и охлажденных до температуры порядка одного микрокельвина. Атомы такого конденсата можно перевести в ридберговские состояния с помощью системы двух лазеров с длинами волн около 420 и 1015 нанометров, направленных в противоположные стороны. Если посветить такими лазерами на атом, в среднем он возбудится примерно через 0,5 микросекунды. Как только в конденсате появлялся ридберговский атом, ученые светили на него другой последовательностью лазеров и отрывали от него электрон. В среднем этот процесс длился около 0,2 микросекунды. Затем физики «подхыватывали» образовавшийся ион с помощью блуждающего электрического поля (stray electric field) и «оттаскивали» его от области действия лазерных импульсов. После этого исследователи снова пытались возбудить атомы с помощью лазеров.

В результате ученые обнаружили, что для маленьких времен движения иона, при которых он еще не успел удалиться от области воздействия лазеров больше, чем на ридберговский радиус (t < 15 микросекунд), образование ридберговских атомов практически полностью подавлялось. На бо́льших расстояниях вероятность возбуждения достигала 30 процентов, то есть сравнивалась с вероятностью в конденсате без ионов. Корректируя параметры лазерных импульсов, ученые построили зависимость радиуса «блокады» от главного квантового числа n ридберговского атома. Построенная зависимость довольно хорошо совпадала с теоретическими предсказаниями, хотя и отклонялась от них при больших значениях n. Авторы статьи считают, что это отклонение возникает из-за влияния электрического поля, которое «перетаскивает» атом. Несмотря на то, что максимальное значение этого поля подбиралось таким образом, чтобы расщеплением уровней из-за эффекта Штарка можно было пренебречь, рядом с ионом ситуация меняется — следовательно, нужно скорректировать максимальное значение поля, время движения иона и радиус «блокады», который определяется по этим величинам.

Наконец, физики предложили использовать открытый эффект для измерения слабых электрических полей — вместо того, чтобы оценивать радиус «блокады» по времени движения иона и напряженности поля, можно рассчитывать напряженность поля по известному времени блокады и времени движения. По оценкам ученых, с помощью этого способа можно отслеживать временны́е изменения блуждающего электрического поля с точностью около 10⁻⁴ вольт на сантиметр. Дальнейшее увеличение точности было ограничено тем, что поле колебалось с периодом около 20 минут, а значит, использовать бо́льшие времена движения ионов было бессмысленно.

В мае этого года физики из Университета Штутгарта так сильно возбудили ридберговский атом в ультрахолодном бозе-эйнштейновском конденсате атомов рубидия-87, что его радиус превысил поперечные размеры конденсата — в результате внешний электрон этого атома служил своеобразной клеткой Фарадея и защищал бозе-конденсат от внешних электрических полей. В феврале ученые из Австрии и США обнаружили, что в бозе-конденсате могут образоваться ридберговские поляроны — ридберговские атомы, окруженные облаком упругих деформаций. А другая группа американских исследователей показала, что за счет образования промежуточных ридберговских поляритонов (не путать с поляронами!) в бозе-конденсате могут формироваться связанные состояния из трех фотонов.

Дмитрий Трунин