Физики научились перекидывать одиночные атомы оптическим пинцетом

Корейские и японские физики придумали новый способ перемещать одиночные атомы: они подбрасывали и подхватывали их в полете с помощью оптического пинцета. Так оказалось удобнее корректировать дефекты атомных массивов — групп атомов, которые удерживают ячейки оптической решетки. Препринт с описанием эксперимента выложен на сайте ArXiv.org, кратко о нем пишет New Scientist.

Обновлено: в марте 2023 года статья была опубликована в журнале Optica.

Современная физика невозможна без оптических пинцетов, способных удерживать объекты в фокусе лазерного луча за счет оптических сил. С помощью этого инструмента можно манипулировать даже одиночными атомами. О том, как устроены оптические пинцеты и почему за их создание была присуждена Нобелевская премия, читайте в материале «Скальпель и пинцет».

Возможность захватывать атомы лазером открыла дорогу к квантовым вычислениям с использованием массивов атомов. Про роль оптических пинцетов в работе таких устройств мы подробно рассказывали на примере 51-кубитного вычислителя, построенного учеными из России и США. Лазерный инструмент не только способен удерживать атомы на месте, но перемещать их по массиву.

Если вы переносите атомы с места на место в массиве, вы можете его потерять, особенно если путь пинцету преграждает другие пинцеты или атомы. Вы можете самостоятельно убедиться в этом с помощью мобильной игры «Quantum Moves», про которую мы уже рассказывали. У игры не так давно вышел сиквел, в который можно запустить прямо из браузера.

Чэ Ук Ан (Jaewook Ahn) из Корейского института передовых технологий и его коллеги из Кореи и Японии взглянули на эту проблему с другой стороны. Они предположили, что качество атомной транспортировки можно улучшить, если перемещать их в режиме свободного полета. Для этого физики разработали протокол работы оптического пинцета, который бросает атом в начале и ловит его в конце пути.

Идея метода в том, что после разгона атома пинцет должен выключиться и включиться в нужном месте и нужное время в начале торможения. В простом приближении атом, колеблющийся в ловушке оптического пинцета, похож на шарик, без трения катающийся в округлой чашке с невысокими краями. Если ускорять ее слишком быстро, шарик выкатится за край и потеряется. То же самое касается и его ловли с последующим замедлением. При этом важно множество параметров, в том числе и фаза колебания шарика. Решая соответствующие уравнения совместно для всех трех этапов, авторы определили предельные и оптимальные параметры для броска и ловли атома в оптический пинцет.

Чтобы проверить их, физики провели эксперимент с атомами рубидия, охлажденными до 40 микрокельвин. Экспериментальная установка была похожа на те, что используются в большинстве опытов по удержанию атомов оптическими пинцетами, за исключением акустооптического модулятора, а также двумерного оптического модулятора в плоскости Фурье. Для визуализации перемещения атомов, физики фотографировали их флуоресценцию.

Ученые строили зависимость успешности броска на 12,6 микрометра от достигаемого ускорения и торможения и сравнивали ее с теоретическими расчетами. Эксперимент оказался в хорошем согласии с моделированием, а максимально достижимая успешность оказалась равна 94±3 процентам.

Авторы сравнили успешность свободного перемещения и перемещения под действием невыключенного пинцета. Второе оказалось эффективнее для случая, когда на пути атома нет преград. Но когда движению атома мешал другой пинцет, его пролет через центр преграды почти не испытывал искажений. Также физики продемонстрировали, что их техника быстрее и успешнее, чем традиционные методы, основанные на перемещении пинцетом, позволяет «чинить» атомные массивы, одна из ячеек которых пустует из-за потери.

По словам ученых, кроме коррекции массивов новый метод открывает дорогу к работе с динамическими архитектурами квантовых вычислений, при которых изменения конфигурации свободны от декогеренции, вызванной лазерным излучением пинцета.

Свободно летящие атомы в последнее время очень интересны физикам как инструмент для создания атомных интерферометров. Эти точные устройства способны ощущать мельчайшие изменения условий, в которых летят атомы. Например, мы рассказывали, как атомный интерферометр увидел подземный тоннель в городских условиях.