Резонансы Фешбаха увидели в атомно-ионной смеси
Физикам удалось увидеть формирование резонансов Фешбаха в смеси иона бария с ультрахолодным газом атомов лития. Они показали, что взаимодействие между ними может меняться от трехчастичного к двухчастичному при измерении концентрации атомов газа. Исследование опубликовано в Nature.
В физике часто бывает ситуация, когда рассеяние каких-либо частиц опосредуется промежуточным связанным или квазисвязанным состоянием. Такие состояния получили названия резонансов. Они встречаются везде, где есть какое-либо рассеяние, например, в физике элементарных частиц, в твердых телах или в химии.
В физике атомов такие резонансы тоже возникают за счет того, что даже между нейтральными атомами всегда возникают слабые взаимодействия, зависящие от расстояния. Если кинетическая энергия атомов сопоставима с потенциальной энергией связи, что возможно только при низких температурах, то их рассеяние друг на друге происходит через образование короткоживущего связанного состояния, названное резонансом Фешбаха.
Резонанс Фешбаха примечателен тем, что с его помощью удалось управлять короткодействующим взаимодействием в однородных и разнородных газовых смесях с щелочными атомами. Интерес также представляет контроль над его дальнодействующей частью, что позволило бы эффективнее проводить квантовые симуляции и обработку квантовой информации. Было показано, что такое взаимодействие присутствует в атомно-ионных смесях, однако до недавнего времени резонанса Фешбаха в них обнаружено не было.
Группа немецких и польских физиков под руководством Тобиаса Шэтца (Tobias Schaetz) сообщила о том, что им удалось наблюдать магнитно-контролируемые резонансы Фешбаха для одиночного иона 138Ba+, помещенного в ультрахолодный газ атомов 6Li. Они выяснили, также, что природа этих резонансов сводится либо к трехчастичному, либо к двухчастичному взаимодействию, что зависит от концентрации атомов лития. В последнем случае происходит симпатическое охлаждение иона, что напрямую сказывается на его вероятности удержаться в неглубокой оптической ловушке.
Для манипуляции одиночными ионами бария физики удерживали их в радиочастотной ловушке и охлаждали до 365 микрокельвин. После чего они смещали ион с центра ловушки, в который помещали охлажденный до 1-3 микрокельвин литиевый газ. Ученые возвращали ион в центр на некоторое время (100-300 миллисекунд) и измеряли вероятность того, что ион останется несвязанным по измерению его флуоресценции.
Поскольку авторы оперировали спин-поляризованными состояниями энергии состояний резонансов подвергались зеемановским сдвигам, что позволило исследовать их все, меняя магнитное поле. В результате авторы обнаружили 11 резонансов, хотя расчеты электронной структуры и многоканального квантового рассеяния предписывали всего 5 для парциальных волн с орбитальным квантовым числом, равным 0, 1 и 2. Такое расхождение удалось устранить, добавив в модель спин-орбитальное взаимодействие второго порядка.
Чтобы разобраться в природе этих резонансов, физики строили зависимость скорости потерь от концентрации атомов лития. Эта зависимость хорошо описывалась квадратичным законом, что свидетельствует от трехчастичном характере взаимодействия между ионом и атомами. Чтобы перейти к двухчастичному режиму, авторы на порядок уменьшили концентрацию атомов лития, а также сократили время пребывания иона среди них. Они ожидали, что в таком случае это приведет к симпатическому охлаждению иона газом. Чтобы увидеть это, физики помещали ион в дополнительную неглубокую оптическую ловушку, которая может удержать ион только с небольшой кинетической энергией. Наблюдая за изменением вероятности захвата иона в эту ловушку при изменении магнитного поля, они также обнаружили резонанс.
Авторы видят развитие этого исследования в когерентном контроле электронных состояний иона и атомов лития, а также в оптимизации установки, чтобы избежать нагрева иона радиочастотной ловушкой. Это позволит формировать молекулярные ионы посредством магнито- или радиочастотной ассоциации, а также анализировать экзотермические свойства такой химической реакции.
Симпатически охлаждать ионы от ультрахолодного газа можно и без смешивания. Мы уже писали, как для этого использовали посредник в виде сверхпроводящего колебательного контура.
Марат Хамадеев
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.