Фізики підкинули і зловили оптичним пінцетом окремий атом

Корейські та японські фізики використали оптичний пінцет, щоб спочатку прискорити окремий атом з масиву, а потім зловити його. Пінцетом вони підкидали атом, відпускали його летіти на швидкості 0,65 метра на секунду, а потім ловили знов у пастку. Таке метання і ловлення одного атома допомогло вченим прицільно виправити дефект у масиві атомів. В майбутньому цей метод допоможе у розробці динамічних архітектур квантових обчислень, пишуть вчені. Їхня робота доступна на arXiv.

Виправлення дефекту (a) в масиві атомів за допомогою методу вчених. На (b) видно бездефектний масив, де вакансію заповнили атомом за допомогою метання і ловлення оптичним пінцетом. Hansub Hwang et al. / arXiv, 2022

Виправлення дефекту (a) в масиві атомів за допомогою методу вчених. На (b) видно бездефектний масив, де вакансію заповнили атомом за допомогою метання і ловлення оптичним пінцетом. Hansub Hwang et al. / arXiv, 2022

Де потрібно ловити атоми?

Виявлення та маніпулювання окремими частинками, такими як атоми і фотони, тепер є звичною справою у багатьох експериментах в області квантової фізики. Масиви таких частинок можна використовувати у квантових обчисленнях. Однак що більша кількість частинок, наприклад кубітів у квантовому обчислювачі, то більша не лише його продуктивність, а і складність контролю системи. Тому фізики шукають способів зберігати контроль за частинками в масштабніших за один атом конфігураціях.

І одним з інструментів для контролю частинок є оптичний пінцет, який використали у своїй роботі вчені Корейського інституту науки і технологій KAIST та японського національного інституту природничих наук.

Що таке оптичний пінцет?

Оптичним пінцетом називають інструмент, що за допомогою лазерного світла дозволяє переміщувати мікроскопічні об'єкти, не руйнуючи їх. Оптичні пінцети активно використовують як біологи для маніпулювання, наприклад бактеріями, так і фізики, які можуть використовувати їх для захоплення та переміщення атомів на відстані кількох мікрометрів. Підхоплення частинки оптичним пінцетом полягає у виборі таких параметрів лазера, щоб частинку можна було притягнути і втримати за рахунок градієнта електричного поля, де частинка втримується в області максимальної його напруженості, яка знаходиться у фокусі променя світла.

Втім, попри успіх методу ловлення атомів оптичними пінцетами, при перенесенні його у масиві можна втратити. Тому у своїй роботі фізики вирішили випробувати новий спосіб доставки атомів, де оптичний пінцет виступив не носієм частинок, а навпаки, ловив їх, уповільнюючи у польоті після підкидання.

Що зробили фізики?

Атом в оптичному пінцеті не зафіксований на місці, а коливається з деяким значенням відхилення від центру, яке залежить від потенціальної глибини і ширини пастки пінцета. І якщо це зміщення перевищує ширину оптичного потенціалу пастки, оптичний пінцет втратить атом. Це і використали фізики, щоб перетворити оптичний пінцет на метальник, розрахувавши параметри системи так, щоб охолоджені до 40 мікрокельвінів атоми рубідію вилітали на відстань 12,6 мікрометра на швидкості вільного польоту у 0,65 метра на секунду.

Ілюстрація поведінки атома в пастці, де на першій схемі його підкидають, прискорюють, а на другій ловлять, уповільнюючи. Hansub Hwang et al. / arXiv, 2022

Ілюстрація поведінки атома в пастці, де на першій схемі його підкидають, прискорюють, а на другій ловлять, уповільнюючи. Hansub Hwang et al. / arXiv, 2022

Подолавши деякий шлях, атом знову потрапляв в оптичний пінцет, який уповільнював його у польоті. У своїх експериментах фізики добилися успіху в 94 відсотки, а також змогли таким чином заповнити вакансію на решітці з дев'яти атомів. За допомогою оптичного пінцета вони змогли перенаправити атом на заповнення пустоти у вузлі, що позбавило решітку дефекту.

Як пишуть автори роботи, їхній метод допоможе не лише вправлятися з дефектами у масивах атомів, прицільно виправляючи їх, а і для створення динамічних квантових архітектур, де перенесення кубітів не вплине на когерентність системи.

Також раніше ми розповідали, як фізикам вдалося заплутати понад десять фотонів, випущених з одного атома. Це також допоможе у масштабуванні квантових систем, де кубітами виступають фотони.