Физики собрали рекордно большой узор из 111 атомов рубидия в оптической ловушке

Физики из Германии построили бездефектную фигуру из 111 атомов рубидия, пойманных в оптическую ловушку. Это в полтора раза больше предыдущего рекорда. При этом вероятность, с которой исследователя удавалось получить заданную структуру, находилась на уровне нескольких процентов (что тоже превышает аналоги). Более того, ученые утверждают, что с помощью предложенного метода этот результат можно неограниченно увеличивать — достаточно использовать более мощный лазер, который создает больше узлов решетки. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Реализовать квантовый компьютер можно разными способами, и один из способов полагается на создание бозе-конденсата холодных атомов с помощью оптической ловушки. В этом случае каждый атом отвечает одному кубиту, а спин атома определяет его состояние: если спин смотрит вверх, в кубит записана единица, в противном случае — ноль. По сравнению с другими квантовыми компьютерами, компьютеры на основе холодных атомов имеют ряд преимуществ. В частности, их легко масштабировать (то есть добавлять новые кубиты), а ошибки, которые возникают в ходе квантового вычисления из-за декогеренции системы, легко исправить. Именно с помощью такого компьютера в 2017 году физики поставили рекорд по числу одновременно работающих кубитов и впервые смоделировали процесс, недоступный классическому компьютеру. Подробнее про это достижение можно прочитать в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».

Единственное, что до сих пор ограничивает создание неограниченно больших квантовых компьютеров на холодных атомах — это дефекты решетки, в которой «сидят» атомы. Для квантового компьютера нужно, чтобы в каждом узле решетки находился один и только один атом. Например, в указанном выше квантовом компьютере такая бездефектная решетка состояла из 51 атома. А в прошлом году физикам удалось довести этот результат до 72 атомов. В основном, улучшить этот результат мешают потери атомов, которые сопровождают перестройку решетки и заполнение пустых мест.

На этот раз группа физиков под руководством Герхарда Биркла (Gerhard Birkl) еще в полтора раза увеличила предыдущий рекорд, доведя число атомов в бездефектной решетке до 111. Прежде чем собирать решетку, исследователи приготовили бозе-конденсат атомов рубидия-87, охлажденный до температуры 100 микрокельвинов, а затем загрузили его в квадратную плоскую оптическую решетку шагом 1,5 микрометра и размером 19×19 шагов. Чтобы создать такую решетку, ученые пропустили инфракрасный лазер (длина волны 800 нанометров) через массив микролинз, которые расщепляли излучение лазера и создавали в каждом узле решетки оптическую ловушку. Поскольку глубина ловушек в тысячу раз превосходила температуру атомов конденсата, все атомы «сваливались» в ловушки. При этом в каждом узле решетки находилось несколько частиц.

Чтобы избавиться от лишних атомов, ученые использовали технику «столкновительной блокады» (collisional blockade). Грубо говоря, в этой технике экспериментаторы попарно сталкивают атомы, сидящие в каждом узле решетки, и заставляют их вылетать за пределы представляющей интерес области. Если в узле изначально находилось четное число атомов, рано или поздно он совсем опустеет; в противном случае в нем останется один-единственный атом (а это физикам и нужно). После того, как в каждом узле решетки оставалось не более одного атома, ученые перетаскивали частицы с помощью оптического пинцета и заполняли «дырки» решетки, чтобы получить бездефектную фигуру. Впрочем, в ходе процесса часть атомов «срывалась с крючка», а потому собрать требуемый узор получалось не всегда — если частиц терялось слишком много, добрать их из области вокруг фигуры не получалось. Например, для квадрата 5×5 вероятность успеха составляла 99 процентов, для квадрата 8×8 — 64 процента, для квадрата 9×9 — 12 процентов, а для квадрата 10×10 падала до трех процентов. Для конфигураций неквадратной формы вероятность успеха была немного больше, поскольку для их создания в среднем требовалось перемещать меньше атомов.

В конце концов, физикам удалось получить несколько правильных бездефектных структур, содержащих порядка ста атомов. К их числу относится квадрат 10×10 (100 атомов), «шахматная доска» размером 15×15, разбитая на 15 ячеек с пустотами (105 атомов), и два наложенных друг на друга квадрата размера 8×8 (111 атомов). В среднем сборка структуры требовала пять циклов перераспределения атомов и занимала 1,3 секунды. При этом время жизни структур достигало десяти секунд.

В настоящее время ученые работают над улучшением своего результата до 1000 атомов, пойманных бездефектной двумерной решеткой размером 50×50. Более того, авторы заявляют, что неограниченно увеличивать размер решетки им мешают только технические ограничения: чтобы создать больше узлов, в которых сидят атомы, нужен более мощный лазер. Однако действия, которые для этого нужно выполнить, совпадают с поставленным экспериментом.

Оптическая ловушка — чрезвычайно гибкий прибор, который позволяет моделировать огромное число физических процессов. Помимо квантового компьютера, с помощью оптической ловушки можно построить своеобразный коллайдер, собрать пространственно-временной кристалл, смоделировать космологическую инфляцию и излучение Хокинга. Кроме того, оптические ловушки используются в химии и биологии, а также имеют прикладные применения — например, в январе прошлого года американские инженеры получили с помощью оптического пинцета цветное трехмерное изображение, напоминающее голограмму из научно-фантастических фильмов. Учитывая огромную популярность этого прибора, в прошлом году Нобелевский комитет присудил премию по физике Артуру Эшкину, который разработал оптическую ловушку и поставил на ней первые эксперименты. Подробнее про его разработку и про принцип работы ловушки можно прочитать в материале «Скальпель и пинцет».

Дмитрий Трунин