Ученым из Новосибирска удалось захватить и сфотографировать единичный атом

Научной группе из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Новосибирского государственного университета и Технического университета удалось не только зафиксировать отдельный атом рубидия в так называемом оптическом пинцете.

Но и "поймать" в созданной ловушке атом с помощью видеокамеры с длиннофокусным объективом.

Ученым из Новосибирска удалось захватить и сфотографировать единичный атом

Зачем нужны такие исследования

Данное достижение очень важно в том плане, что единичные атомы способны выступать в роли кубитов – основных ячеек для записи и передачи информационных потоков в квантовых компьютерах.

Так вот, фиксация атома в оптическом пинцете (другое название дипольная ловушка) – один из важнейших элементов в формировании массива кубитов и дальнейшего выполнения квантовых преобразований.

Вполне логично, что в массиве будет огромное количество удерживаемых таким образом атомов, а это значит, что необходимо не только удерживать, но и корректно производить регистрацию атомов.

Как получилось сфотографировать атом

Итак, перед учеными стояла очень сложная задача. Ведь нужно было изначально охладить атомы (в таком охлажденном виде электронные состояния могут сохраняться до пары секунд, что более чем достаточно для квантовых компьютеров) и тем самым "затормозить" их.

А также отдельный атом нужно еще зафиксировать в ловушке, которая является ни чем иным как особый лазерный пучок с фокусировкой в несколько микрон.

И самое сложное нужно было еще запечатлеть атом. Ведь необходимо за кратчайшее время проверить регистрацию инфракрасных фотонов рассеиваемых атомом. И по условиям эксперимента фиксация атомов должна проходить в самые сжатые сроки. Только в этом случае возможно будет их применять в роли кубитов.

Ученым из Новосибирска удалось захватить и сфотографировать единичный атом

Западные коллеги для фиксации применяют высокоэффективные камеры EMCCD – видеокамеры с электронным умножителем. Но начиная с 2015 года их не поставляют в Россию, да и цена у них порядка 5 миллионов рублей.

Наши же специалисты применили гораздо более дешевый аналог предыдущего поколения sCMOS – камеры и добились удивительных результатов, а именно:

Получилось зафиксировать атом с минимально возможным временем экспозиции – 50 миллисекунд. Это время сопоставимо с работами иностранных коллег, которые как раз и применяют суперсовременные и дорогие камеры.

Какая была основная проблема, как ее удалось решить

Как заявил один из авторов исследования И. Бетеров, главной проблемой было то, что отдельно взятый атом испускает крайне слабое свечение и поэтому вся фокусировка производилась на один пиксель матрицы видеокамеры.

В ходе многочисленных экспериментов удалось выяснить, что если просто пытаться регистрировать атом, то на фоне шумов он едва различим. Для обхода этой проблемы было принято решение краткосрочно отключать дипольную ловушку (на 0,000001 с).

За столь незначительный промежуток времени атом просто не успевал покидать ловушку.

Ученым из Новосибирска удалось захватить и сфотографировать единичный атом

Цикл включения-отключения повторяли порядка нескольких тысяч раз, тем самым аккумулируя сигнал в период выключенного дипольного лазера.

Это первая работа в мире, когда было успешно выполнено совместное применение длиннофокусного объектива и sCMOS – видеокамеры, и полученный результат будет интересен ученым по всему миру.

Результаты своих исследований ученые опубликовали на страницах сайта «Квантовая электроника».

У Новосибирских физиков в планах научиться контролировать однокубитовые операции с повышенной точностью и таким образом плавно подойти к двухкубитовым. Таким образом приступить к "подготовке" логических элементов квантового компьютера.

Понравился материал, тогда с вас лайк, комментарий и подписка. Спасибо за внимание!