Kvantum számítógépek, a jövőben is működni keresztül az energia átmenetek a izgatott atomok, vagy akár a tiszta fény, ha egy gyorsan fejlődő terület, atomfizika továbbra is megfeleljen a siker, írja Keith Cooper
A fizikusok kergeti a szent grál a kvantum számítástechnika, egy finom recept, egyre inkább elterjedt., Megszórjuk egy marék atomot-a rubídium népszerű összetevő-vákuumkamrába. Kezelje lézersugarakkal, hogy az atomokat az abszolút nulla feletti fokú frakciókra hűtse. Ezután adjunk hozzá néhány fotont, és hey presto – hoz-létrehoztuk a kvantumszámítógép egyik alapvető építőelemét.
legalább “ez az alapötlet” –mondja Mark Saffman, az amerikai Wisconsin-Madison Egyetem atomfizikusa. Mindegyik központi eleme a Rydberg atomok, amelyeknek egyetlen külső valence elektronja van, amely magasabb kvantumállapotokra gerjeszthető. Ők az atomvilág nagy apukái., Jellemzően egy atommag mérete femtométerek, de egy Rydberg atomban a gerjesztett valence elektron mikronokat utazhat a magból, miközben továbbra is kötődik hozzá,az atomsugarat milliárdszorosára ballonozva. Ilyen nagy eléréssel a Rydberg atom kölcsönhatásba léphet más közeli atomokkal egy hatalmas elektromos dipólus pillanat révén, milliószor jobb ,mint a” rendes ” atomok. Ez az interaktív erő-és az a képesség, hogy egyetlen, gondosan kiválasztott fotonnal irányítsuk-teszi a Rydberg atomokat olyan erős erővé a kvantuminformációs rendszerek világában.,
Gateway technology
bármely számítógép – digitális vagy kvantum-középpontjában logikai kapuk vannak. A kvantumszámítógép az atomi skálán működik, ahol a kvantummechanika uralkodik, vagyis a logikai kapukat atomokból is ki kell építeni. A nem kapu például egyetlen bemenettel és két állapotgal rendelkezik, 0 és 1, de ahhoz, hogy a kapu működjön, az atomok nem csak kölcsönhatásba lépnek, hanem az interakció szabályozására is szükség van. A Rydberg atomok elektromos dipólus ereje és a gerjesztésük szabályozására való képességünk tökéletessé teszi őket a kvantum logikai kapukhoz.,
2010-ben Saffman és Wisconsin-i kollégái két semleges rubídiumatom segítségével bizonyították, hogy képesek logikai kapukat építeni, kiegészítve a Philippe Grangier vezette csapat munkáját a Párizs melletti Institut d ‘ Optique-ben. A nem kapu kvantumváltozata az ellenőrzött-nem, vagy CNOT, kapu, amelyben a rubídium atomok maguk az információ kvantum bitjei – vagy “qubits”–. Az egyik “ellenőrzés”, a másik “cél”., Földi állapotukban, amely különféle hiperfinom állapotokat sportol, amelyek a kvantuminformációkat tartalmazzák, az atomok nem kölcsönhatásba lépnek – az őket elválasztó négy mikron akár végtelen is lehet. Azonban izgalmas az ellenőrzési atom a Rydberg állami égetés rezonáns foton benne, hogy lesz szívódik fel, a valence elektron felemelkedik egy magasabb energia szint, amely a reach mértékben, hogy az lehetővé egy kölcsönhatás a cél atom, “fricskázó” pedig lehetővé teszi a CNOT kapu működik., “Ha a lézert a vezérlő atom gerjesztésére használjuk, bekapcsolhatjuk az interakciót, és végrehajthatjuk a logikai kapunkat, mielőtt az atomokat a föld állapotába visszük” – mondja Saffman.
a korábbi kísérletek ionokat használtak a CNOT kapuk létrehozásához, de az ionok problémája az, hogy töltéskor nincs egyszerű módja annak, hogy kikapcsolják kölcsönhatásaikat, ami korlátozza, hogy hány kombinálható egy stabil qubit-ba. A semleges Rydberg atomok azonban nem szembesülnek ezzel a problémával. Ez nem azt jelenti, hogy a Rydberg atomok új fejlemény – az 1800-as évek vége óta ismertek., Ami igazán ösztönözte a Rydberg fizika fejlődését, az a lézerzárás és hűtés megjelenése volt, amiért Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji és William Phillips osztották meg a fizikai Nobel-díjat 1997-ben. A fizikusok ezen képessége, hogy az egyes atomokat fény segítségével tartsák és manipulálják, megnyitotta az utat a Rydberg atomok egzotikus új alkalmazásokban való felhasználásához.
Starkly eltolódott
lézerek lehet használni, hogy hozzon létre egy “optikai dipól csapda”, amely képes tartani, hűvös atomok puszta microkelvin felett abszolút nulla, vagy akár le nanokelvin bizonyos esetekben., A lézerek keresztezésével ez a módszer 2D vagy 3D optikai rácsra bővíthető. A lézerek az atom rezonáns frekvenciájától eltérő színre vannak hangolva, hogy elkerüljék a fotonok bármelyikét elnyelő atomokat (ami energiát adna nekik a csapdából való kiugráshoz). Ezen a ponton egy Stark effektus néven ismert jelenség jön létre, amely az atom energiaszintjének eltolódása a váltakozó áram elektromos mezőjére reagálva, mint az elektromágneses hullám által előidézett. A földi állapotú atomok esetében az energiaszintek kissé alacsonyabb energiára tolódnak., A lézersugarak legintenzívebb része, ahol keresztezik a rácsot, akkor potenciális kútvá válik, amelyben az atomok csapdába esnek, mert itt tapasztalják meg a legnagyobb eltolódást, és elveszítik a legtöbb energiát (1.ábra).
miután csapdába esett, az atomok izgatottak lehetnek a Rydberg állapotra, ha rezonáns frekvenciájú fotont tüzelnek rájuk. A baj az, hogy a rezonáns foton energiája ki tudja rázni az atomot a csapdából, így a keresés “mágikus hullámhosszokra” indult, amelyek egyszerre csapdába ejthetnek és gerjeszthetnek egy atomot., 2015-ben, az épület közel egy évtized munkájáról atom fizikus, a csoport által vezetett fizikus Trey Porto, a University of Maryland Közös Kvantum Intézet, NEKÜNK, találtunk egy mágikus frekvencia rubídium atomokból, hogy egyszerre csapdák őket két különböző kvantum tagállamok, amelyek az elsődleges kvantum számok, n = 5 n = 18 (Phys. Rev.A 91 032518). Más szavakkal, izgatottak lehetnek egy 18-as Rydberg állapotra, ahol az izgatott elektron a 18-as orbitális pályán van, miközben a csapdában marad. Ez a mágikus hullámhossz körülbelül 1064 nm infravörös hullámhossznak felel meg., Puszta szerencsével ez az Nd:YAG lézer által termelt hullámhossz, amelyet a legtöbb fizikus egyébként használ, mert a rendelkezésre álló legolcsóbb lézerteljesítményt biztosítja. Ez különösen fontos, ha sok energiát szeretne anélkül, hogy megrontaná a fizikai osztályt.
“valóban alattomosak voltunk, és olyan fényszínt választottunk, amely csapdába ejti mind a Rydberg államot, amely érdekel minket, mind a földi államot” – mondja Elizabeth Goldschmidt fizikus, aki a Porto egyik tagja volt, és most a Marylandi amerikai hadsereg kutató laboratóriumában található.,
bár a Porto csapata 18-ig izgatta a rubídiumot, ez csak kezdet volt. Ahhoz, hogy magasabb kvantumszámokhoz jussunk – ami erősebb kölcsönhatásokat eredményez az atomok közötti nagyobb távolságokon, valamint meghosszabbítja az izgatott állapotban töltött élettartamot – rövidebb és rövidebb mágikus hullámhosszra van szükség. Az ilyen rövidebb hullámhosszokat kibocsátó lézerek nem olyan széles körben elérhetők, mint az 1064 nm-es lézerek, és a legmagasabb frekvenciákon költség-megfizethetetlenné válhatnak. Ennek ellenére a mágikus hullámhosszok óriási előrelépést jelentenek a fizikusok számára, mint például a Saffman., “Csapdába ejti az egyes atomokat, és ráveszi őket, hogy kölcsönhatásba lépjenek a kapukban, ezért jobban érdekli, hogy megtalálják a mágikus hullámhosszukat” – mondja Goldschmidt.
eddig jó, de a mágikus hullámhossz és a Rydberg gerjesztés önmagában nem elég ahhoz, hogy kvantumszámítógépet készítsen. Ami hiányzik, az a kvantum szempont, amely lehetővé teszi a qubit létezését sok államban egyszerre, szemben a bináris bitekkel, amelyek csak a két állapot egyikében lehetnek. A Rydberg fizikában ezt a kvantum szempontot összefonódás biztosítja.,
“a összefonódás az a bit, amely többet ad neked, mint amit egy klasszikus számítógéppel tehetsz” – magyarázza Charles Adams, az Egyesült Királyság Durham Egyetemének közös Kvantumközpontjának fizikusa. Az összefonódást a Rydberg atomok kölcsönhatása hozza létre más körülöttük lévő unexcited atomokkal. Lényegében a Saffman CNOT kapuja egy összefonódó gép, a kapu hatékonysága pedig a összefonódás “hűségétől” függ, amelyet úgy határoznak meg, mint a sikeres számítások mennyiségét, amelyet a kusza logikai kapu a kísérletek teljes számához képest ér el.,
A blokád futtatása
amikor az atomok qubitok, a foton szerepe egyszerűen az atomok gerjesztése Rydberg állapotukba. Adams azonban többek között egy kissé eltérő díjat üldözött: egy fényből készült kvantumszámítógépet.
egy ilyen eszközben, ahelyett, hogy az atomok qubitok lennének, a fotonok inkább qubitokként működnének. Azonnal van egy potenciális showstopper. A fotonok, mivel tömeg nélküli részecskék, nem lépnek kölcsönhatásba egymással, így általában nem tudnak logikai kapukat létrehozni., Ki őket Rydberg atomok, azonban, és a játék megváltozik, amely lehetővé teszi a fizikusok, hogy hozzon létre egzotikus fotonikus állapotok, sőt “molekulák” a fény.
mindez a Rydberg atomok cliquey jellegének köszönhetően lehetséges. Gyűjtsön szoros csomó rubídium atomokból (vagy stroncium, cézium -, nátrium-vagy bármi is legyen a kedvenc semleges atom), király őket, küldjön egy foton. Az egyik atom izgatottan reagál a Rydberg állapotra, kölcsönhatásba lép a körülötte lévő többi atommal, megváltoztatva energiaszintjüket., Tehát amikor egy második, azonos, foton kerül ebbe a “Rydberg együttesbe”, rájön, hogy hirtelen nincs összhangban a rezonáns frekvenciájukkal, és nem tudja izgatni őket. Lényegében a Rydberg atomok “blokádot” hoztak létre más Rydberg atomok létrehozására egy második fotonból, amelynek átmérője talán 10 µm.
a második foton esetében azonban ez jó hír., “Ez azt jelenti, hogy a második foton más optikai választ lát a közegre – hatékonyan más törésmutatót lát – tehát a közeg viselkedése a második fotonhoz nagyon különbözik az elsőtől” – mondja Adams. Mindaddig, amíg a két foton azonos frekvenciájú, a rubídiumfelhő átlátszóvá válik a második foton számára, amelyet “elektromágnesesen indukált átlátszóságnak”neveznek., Általában a második foton versenyezne előre, de a rubídiumfelhő törésmutatója oly módon változik, hogy a második foton az első foton által gerjesztett Rydberg együttes közelében maradjon.
Mint az atomok izgatott az első foton vissza a földre állami után néhány mikroszekundum, akkor nem csak az első foton továbbra is úton van, de a második foton is szabad, hogy létrehozzák saját Rydberg ensemble, hogy egy blokád az első foton., Ilyen módon a két foton körülbelül 400 m/s sebességgel tolja és húzza egymást a rubídiumfelhőn keresztül, amíg együtt nem jelennek meg, a kvantum összefonódik és látszólag összekapcsolódik, mint egy molekula.
ebben a helyzetben a fotonok és a Rydberg atomok erősen összekapcsolódnak-mondta Mihail Lukin, a Harvard Egyetem munkatársa., Ő co-létre a blokád technika hideg atomok 2001-ben munkatársaival együtt Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac Peter Zoller, meg is volt az első, hogy a blokád, hogy hozzon létre ezek a Rydberg-fokozott molekulák, a fény, 2012, valamint Vladan Vuletić, a Massachusetts Institute of Technology, USA.
“a kapcsolás azt jelenti, hogy lényegében egy új kvázi-részecskét alkotnak, amelyet polaritonnak neveznek, amely része a fénynek és része az atomoknak” – magyarázza Lukin. , A polariton atomi fele fékként működik a fotonok számára, így minél nagyobb az atomi gerjesztés, annál lassabb a fotonok terjedési sebessége a rubídiumon keresztül. Lukin és Vuletić most azon dolgoznak, hogy megismételjék a kísérletet több mint két fotonnal.
ezek a foton–foton kölcsönhatások alapvetően különböznek attól, ahogyan a fény normálisan működik, és kinyitják az ajtót, hogy a kusza fotonokat kvantumszámítógépek áramköreként használják. De az atomic logic gates még nem került ki a képből, mondja Goldschmidt., Úgy véli, hogy a kölcsönhatásban álló fotonok optikai logikai kapuit jobban alkalmazzák a kvantumszimulációkra, mint a kvantumszámítás önmagában.
a kvantumszimulátor, ahogy a neve is sugallja, komplex rendszereket szimulál, nem pedig kiszámítja őket. Lényegében ez egy számítógépes soktestű szimuláció kvantumverziója, amelyet speciális problémák kezelésére terveztek., “Egy kvantum szimulációban kölcsönhatások vannak a kvantumrendszer sok teste között, így szimulálhat egy másik soktestű kvantumrendszert anélkül, hogy megpróbálna kódot végrehajtani konkrét kapukkal” – mondja Goldschmidt.
Asztali készülékek
dolgozó Kutatók a Rydberg-fizika egyik fő célja, függetlenül attól, hogy a Rydberg atomok magukat lesz az áramkörök a kvantum információs rendszerek, vagy akár fotonok által lehetővé tett Rydberg atomok venni ezt a szerepet., Céljuk, hogy ezen logikai kapuk magasabb hűségű manipulációját ösztönözzék a kimenet minőségének javítása, valamint belső hibajavítások biztosítása érdekében. A legjobb út-véli Lukin-egy hibrid rendszer, amelynek során a Rydberg atomok és foton kölcsönhatások egyaránt részt vesznek az információfeldolgozásban.
“ami érdekes a megközelítésünkben, az az, hogy lehetővé teszi számunkra, hogy mindkét világ legjobbjait használjuk” – mondja. “A számítástechnikához érdemes a qubitokat atomok segítségével tárolni, de a tárolt qubitok közötti kommunikációhoz valójában fotonokat szeretne használni.,”
Adams még tovább megy, valószínűnek tartja, hogy a kvantum számítógép, szimulátorok talán egy nap ez lesz az asztali gépek, nem a hűtés az atomok hihetetlenül hideg hőmérséklet, amely magában foglalja a nagy készülékek, illetve sok erő, de a működési szobahőmérsékleten. Adams és Durhami kollégái kísérleteket végeztek a Rydberg atomokkal 50 °C-ig terjedő” forró ” gőzökben, de a probléma a Brownian mozgás, amely a meleg, energikus atomokban következik be., Mivel a fotonokat a közegben hullámként tárolják, ez a mozgás elpusztítja a fázisinformációkat, ami azt jelenti, hogy a fotonikus qubit nem lehet letölteni. Ennek ellenére, ha ezt és más kihívásokat meg lehet oldani, akkor Adams azt javasolja, hogy lehet olyan kvantumszámítógépet építeni, amelyben a Rydberg blokád folyamata által kiváltott virtuális buborékokban tárolt fotonok egy optikai kaput alkotó kölcsönhatást közvetítenek. “De még mindig tudjuk, hogyan kell ezt a fajta integrált all-optikai áramkört csinálni” – mondja.
A Rydberg fizika nem az egyetlen játék a városban, amikor kvantumszámítógépekről van szó., A csapdába esett ionok, szupravezetők, gyémántok és Bose–Einstein kondenzátumok többek között a kvantumkorona versenytársai. De a Rydberg atomoknak más felhasználása is van. Például egy Rydberg együttes kiválasztásával egy adott rezonáns frekvencián-mondjuk terahertzben vagy mikrohullámú sütőben – kifinomult érzékelőként működhet, optikai kimenetet hozva létre, amikor felveszi ezeket a mezőket., A Rydberg blokádok által kényszerített foton–foton kölcsönhatások akár egzotikus fényállapotokhoz is vezethetnek, amelyeket kristályosnak vagy folyadéknak tekintnek, ahol az interakciók a fotonokat együtt tartják valamiben, ami fénykardnak tűnhet.
“a Rydberg fizika az elmúlt évtizedben lendületben nőtt” – mondja Adams. “Szinte mindenhol vannak olyan csoportok, amelyek ennek valamilyen aspektusát végzik.”Figyelemre méltó, amit a Rydberg fizika el tudott érni, figyelembe véve, hogy az összetevők a legegyszerűbb dolgok az univerzumban: atomok és fotonok.,
- Lapja Fizika B, a SZEMBELNYOMÁS Kiadó – amely szintén közzéteszi a Fizika a Világ – jelenleg felszabadító fókusz kérdés “Rydberg-atomfizika”
- Élvezze a többi április 2016 kérdés, fizikai Világban, a digitális magazin keresztül, vagy a Fizika Világ alkalmazás minden iOS-vagy Android-smartphone vagy tabletta. A Fizikai Intézet tagsága szükséges