Алгоритм упорядочивания сделал успешной треть попыток рисования с помощью 225 подвешенных атомов

Сингапурские физики продемонстрировали алгоритм упорядочивания атомов, пойманных в оптические решетки, в правильные бездефектные структуры, в котором число шагов масштабируется как квадратный корень от размера массива. Предыдущие попытки добивались в лучшем случае линейного роста. Экспериментальная реализация алгоритма для 225 атомов позволила довести успешность процедуры до 33 процентов при комнатной температуре. Авторы нарисовали атомами различные фигуры, включая фрактал и символ Сингапура. Исследование опубликовано в Physical Review Applied.

Атомы, подвешенные с помощью лазерных пинцетов или оптических решеток в упорядоченные структуры, — это перспективная платформа для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Например, атом, туннелирующий между узлами оптической решетки, прекрасно подходит для реализации модели квантовых блужданий, а массивы ридберговских атомов позволяют ученым исследовать магнитный порядок.

Существует несколько методов формирования упорядоченных структур из атомов. Мы уже рассказывали, как для этого используют металинзы и стробоскопический эффект. Однако для всех способов подвешивания остро стоит проблема масштабирования массивов на большое число атомов. Дело в том, что процесс заполнения узлов решетки случаен, то есть физикам приходится ждать, пока в заданный массив наберется нужное количество атомов из падающего пучка. И пока одни атомы находят свое место, другие теряются, оставляя в решетке дефекты.

В независимости от того, нужно ли в эксперименте создавать однородную атомную решетку или решетку с более сложной топологией (фрактал Серпинского, решетка кагомэ и так далее), ученые должны перераспределять стохастически заполненные массивы с помощью дополнительных пинцетов. Этот процесс сопряжен с потерями, поскольку поле дополнительных пинцетов может искажать поле основной оптической ловушки, тем же чреваты и столкновения атомов при их транспортировке. Для их минимизации уже существуют несколько алгоритмов перераспределения, но во всех них количество ходов, которые нужно сделать (а, следовательно, и вероятность ошибки), растет в лучшем случае линейно с числом атомов.

На борьбу с этой трудностью были направлены усилия группы физиков из Национального университета Сингапура под руководством Хуань Цянь Ло (Huanqian Loh). Они разработали новый алгоритм перестановки атомов, основанный на параллельной сортировке и сжатии массивов (parallel sort-and-compression algorithm, PSCA). В результате ученым удалось добиться 33-процентного успеха при бездефектной расстановке 225 атомов в целевые структуры при комнатной температуре и с использованием стандартной техники.

Суть алгоритма PSCA заключается в такой перестановке атомов, которая исключает их столкновения. Он состоит из двух этапов. На первом из них (сортировке) алгоритм перераспределяет атомы в строках таким образом, чтобы число атомов в столбцах совпало с таковым в целевой структуре. На втором этапе (сжатии) передвижение происходит уже в самих столбцах. Опытным путем физики поняли, что наибольшая производительность метода достигается тогда, когда первыми сортируются строки, заполненные атомами наполовину. Симуляции показали, что в этом случае количество шагов алгоритма масштабируется как корень квадратный из числа атомов, а сам алгоритм допускает высокую степень параллелизма, если вспомогательных пинцетов более одного.

Для проверки своих расчетов физики использовали охлажденные атомы рубидия, которыми загружали косоугольную оптическую решетку 20×20. Для ее создания луч лазера с длиной волны 808 нанометров проходил через два акустооптических модулятора, ориентированных под 60 градусов к друг другу. Дополнительная пара модуляторов создавала до 15 вспомогательных пинцетов, работающих на 852 нанометрах. При перемещении авторы слегка меняли свойства оптической решетки. Скорость перемещения при этом составляла 130 микрометров в миллисекунду. Результат ученые контролировали с помощью флуоресцентной визуализации.

В своей работе физики показали, что новый алгоритм способен обеспечить заполнение самых разнообразных структур без дефектов. Они построили массивы из 225 атомов в виде равномерной косоугольной решетки, решетки кагомэ, пчелиных сот, треугольника Серпинского, а также нарисовали атомами голову льва — символ Сингапура. Средняя вероятность успеха процедуры оказалась равна 33±1 процентам, что существенно выше, чем в известных на сегодня методах. В будущем ученые планируют дальнейшее уменьшение потерь, но уже не на стороне алгоритма, а за счет оптимизации установки, например, использования менее шумных лазеров.

Перемещать атомами между узлами оптической решетки можно не только с помощью пинцета, но и просто перебрасывая. В этом случае пинцеты нужны лишь для того, чтобы кинуть и поймать атом. Недавно мы рассказывали, как там способом можно «чинить» дефекты в атомных массивах.