Диспрозий поймали в магическую ловушку

Физики научились ловить атомы диспрозия в магические ловушки и удержвать их там для измерений и вычислений. Им удалось собрать решетку из 25 атомов с высоким процентом заполнения. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Большое число исследований по реализации алгоритмов, кодов коррекции ошибок квантовых систем и других экспериментов проводят с платформами на нейтральных атомах. Основные параметры, важные для дальнейшего масштабирования и реализации прикладных вычислений, получаются довольно высокими — время жизни атомов в микроловушках уже достигло десятков минут, а точность даже многокубитных операций превышает 97 процентов. Подробнее о платформах на нейтральных атомах и ионах можно узнать из нашего материала «Квантовое преследование».

В отличие от ионов, чтобы заставить нейтральные атомы взаимодействовать между собой, нужно перевести их в высоко возбужденные состояния — перевести внешний электрон на очень высокий уровень, вплоть до тысячного. Такие высоковозбужденные атомы называются ридберговскими. Они имеют значительно больший радиус взаимодействия в сравнении с невозбужденными и могут им обмениваться между собой. Остается придумать, как их удерживать в ловушке, в которой происходит превращение из обычного атома в ридберговский. Обычно во время этого процесса атом с одним внешним электроном перестает чувствовать притяжение ловушки, в которой находится. В самом простом случае операцию над ним стараются сделать как можно быстрее, пока сам атом покидает ловушку. Однако эти времена отличаются всего лишь в десятки раз, поэтому масштабировать такой подход сложно.

Перспективный вариант для реализации сложных операций — использование атомов с двумя электронами на внешнем уровне. Физики из института оптики в Париже под руководством Игоря Ферье-Барбута (Igor Ferrier-Barbut) выбрали именно его и смогли поймать в ловушку атомы диспрозия-162, собрав массив из 25 атомов, упакованных в регулярную матрицу.

Диспрозий относится к семейству лантаноидов, которые ученые изначально рассматривали как атомы для создания масштабируемых вычислительных систем. Проблема в том, что атомы с одним электроном на внешнем уровне поддаются расчетам и для них можно заранее спрогнозировать поведение и подобрать подходящие условия. А вот для двухэлектронных атомов такая задача оказывается вычислительно сложной, поэтому просто поймать их в ловушку и удерживать там — уже большая задача.

Авторы охлаждали атомы диспрозия-162 с помощью двухмерной магнито-оптической ловушки, потом перенаправляли их и ловили с помощью двух вложенных друг в друга типов ловушек (core-shell), использующих две длины волны. После этого они накачивали атомы на длине волны 532 нанометра и отстраивали их по частоте от резонансной частоты ловушки. Такой многоэтапный процесс позволяет создать магическую ловушку, в которой атомы смогут стабильно находиться длительное время. Важно отметить, что для диспрозия ширину этой отстройки можно регулировать меняя поляризацию ловушки, а не подстраивать всю систему под определенную фиксированную отстройку.

Комбинация из 25 ловушек позволила физикам собрать массив 5×5 атомов с десятимикрометровым зазором между ними, перетяжка ловушки при этом составила 500 нанометров. Чтобы получить изображение атомов в матрице, физики следили за их флуоресценцией. С помощью стандартной полупроводниковой камеры они измеряли число фотонов вблизи каждой из узлов матрицы и выяснили, что за один подход им удается заполнить больше 50 процентов всех узлов. Измерение в течение 30 миллисекунд показало полностью заполненную матрицу.

Авторы предлагают использовать разработанную систему для создания атомных волноводов или для непосредственной подготовки расширенных моделей Бозе — Хаббарда с помощью оптических пинцетов.

Чаще предметом исследования атомов с двумя валентными электронами оказывается иттербий — его уже удалось охладить до очень низких температур. А на атомах с одним электроном помимо вычислений ученые умеют делать очень точные часы и даже использовать их, чтобы стримить игры.