Лазерная абляция помогла создать компактный источник атомов
Сингапурские физики продемонстрировали работоспособность нового компактного источника атомов для создания холодных газов, основанного на лазерной абляции металлических гранул, без привлечения дополнительных замедлителей. Им удалось захватить 3,5 миллиона атомов стронция с временем жизни в ловушке, равным четырем секундам. Исследование опубликовано в Scientific Reports.
Холодные атомные газы играют важнейшую роль в современной физике. С их помощью изучают необычные формы материи, новые квантовые явления и создают сверхточные атомные часы. Для этого атомные облака нужно охлаждать и локализовывать в пространстве, в чем физикам помогают разнообразные оптические и магнитные ловушки.
Однако сначала свободные атомы нужно как-то создать. Обычно для этого используются отдельные печи-атомизаторы, на выходе из которых горячие атомы обладают большой скоростью. Ученые останавливают их различными методами, например, зеемановскими замедлителями, а также дополнительно коллимируют, прежде чем загрузить ими ловушки. Все это позволяет достичь большой эффективности загрузки и времени жизни атомов. Тем не менее такие лабораторные системы оказываются достаточно громоздкими и требующими регулярного ухода, в то время как для некоторых практических приложений, например, атомных часов, желательна мобильность и отказоустойчивость.
Альтернативным подходом к атомизации стала лазерная абляция твердых объектов. Недавно физикам удалось произвести облака холодных стронция и иттербия за счет фотохимической диссоциации их оксидов с поверхности твердых гранул. Этот метод потребовал лишь милливаттных лазерных мощностей, однако образование побочного газообразного кислорода негативно сказалось на времени жизни атомов в ловушках.
Чтобы обойти эту проблему сингапурские физики под руководством Дэвида Вилковски (David Wilkowski) из Наньянского технологического университета предложили производить лазерную абляцию с металлическими гранулами в той же камере, в которой формируется магнито-оптическая ловушка. Им удалось захватить таким образом 3,5 миллиона атомов и удерживать их в течение четырех секунд.
Установка физиков представляла собой вакуумную камеру из боросиликатного стекла размерами 30×30×100 сантиметров. Стронциевые гранулы сантиметрового размера располагались с одного конца камеры. Физики фокусировали на них излучение от лазера с длиной волны 1064 нанометра и с максимальной мощностью 38 ватт в пятно диаметром четыре микрометра.
Через шесть сантиметров от гранул авторы формировали ловушку с помощью шести лазерных лучей и 32 постоянных магнитов из сплава неодима, железа и бора, расположенных в восьми вершинах куба. Такая схема открывала широкий оптический доступ к атомам. Цифровая камера улавливала сигнал флуоресценции атомов с частотой 50 кадров в секунду, что позволило ученым следить за эволюцией количества атомов в ловушке и вне ее.
Физики проверили идею для двух режимов работы лазера. В первом из них они выставили длительность лазерного импульса на минимум, равный 25 миллисекундам, вместе с максимальной мощностью. При таких условиях происходила загрузка 1,9×104 атомов в ловушку за 40 миллисекунд, где они хранились 4,7 секунды.
Во второй серии экспериментов физики увеличили длительность воздействия до нескольких секунд с уменьшенной вдвое мощностью. Они обнаружили, что максимальное количество атомов в ловушке — 3,5×106 — достигается при трехсекундном облучении, причем не сразу, а через секунду после выключения лазера. Этот эффект ученые объяснили тем, что сама частица здесь выступает в качестве теплового резервуара, который поддерживает испарение даже в отсутствии излучения. Пленение же, как и в предыдущем опыте, длилось чуть больше четырех секунд.
Авторы отмечают, что достигнутых показателей достаточно для экспериментов по квантовым вычислениям на ридберговских атомах, а также для создания оптических часов. При этом созданная установка обладает одновременной простотой и универсальностью. В частности, поскольку длина волны при абляции не имеет значения, для этого можно использовать тот же лазер, что формирует ловушку. Кроме того, метод годится для любых металлических гранул. Это позволит в будущем создать компактную мобильную установку для экспериментов вне лаборатории.
В описанном эксперименте физики испаряют атомы лазером, чтобы потом охладить и остановить. Однако иногда нужно, наоборот, разгонять их. Недавно мы писали про то, как это делают с ионами, которые испарились из тонкой углеродной фольги.
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.
