Kvante-datamaskiner i fremtiden kunne operere via energi overganger av spente atomer, eller til og med fra rene lys, hvis en raskt voksende området av atomfysikk fortsetter å møte med suksess, skriver Keith Cooper
For fysikere jage den hellige gral av quantum computing, en velsmakende oppskrift er blitt mer utbredt., Dryss en håndfull av atomer – rubidium er en populær ingrediens i et vakuum kammeret. Behandle med laserstråler til å kjøle atomer til rene fraksjoner av en grad over absolutt null. Deretter legge til et par av fotoner og vips – du har opprettet en av de grunnleggende byggesteinene i en kvante-maskin.
minst, «det er den grunnleggende idé», sier Mark Saffman, en atom-fysiker ved Universitetet i Wisconsin–Madison i USA. Sentralt til det hele er Rydberg atomer, som har en enkel ytre valence elektron som kan være glade til høyere kvantetilstander. De er big daddies av den atomære verden., Vanligvis en atomkjerne er femtometres i størrelse, men i en Rydberg atom begeistret valence electron kan reise µm fra kjernen mens du fremdeles er bundet til det, ballooning atom radius en milliard-brett i størrelsen. Med en så stor nå, en Rydberg atom kan samhandle med andre nærliggende atomer via en kraftig elektrisk dipol øyeblikket er en million ganger bedre enn «vanlig» atomer. Det er denne interaktive makt – og evnen til å kontrollere den med et enkelt, nøye utvalgte foton – som gjør Rydberg atomer en slik potent kraft i verden av quantum information systems.,
Gateway-teknologi
i hjertet av hvilken som helst datamaskin – digitale eller quantum – er logiske porter. En kvante-maskin fungerer på atomær skala, der quantum mechanics hersker, som betyr at den logiske porter må også være bygd opp av atomer. En gate, for eksempel, har en enkel inngang og to stater, 0 og 1, men for porten til arbeid det krever at atomene ikke bare virker, men at samspillet er kontrollert. Elektrisk-dipol-styrke Rydberg atomer og vår evne til å kontrollere sine eksitasjon gjør dem perfekt for quantum logiske porter.,
I 2010 Saffman og hans kolleger ved Wisconsin vist evne til å bygge logiske porter ved hjelp av to nøytrale rubidium atomer, supplerer arbeid utført av et team ledet av Philippe Grangier ved Institut d’Optique i nærheten Paris. Quantum versjon av en IKKE tor er Kontrollert-IKKE, eller CNOT, gate, som rubidium atomer selv er quantum biter – eller «qubits» – informasjon. Den ene er merket «control», og den andre «mål»., I deres bakken staten, som idrett ulike hyperfine stater som holder quantum informasjon, atomene ikke samhandle – de fire µm skille dem kan like godt være en uendelig. Imidlertid, av spennende kontroll atom i Rydberg staten ved å skyte en resonant foton på det som blir absorbert, og valence electron stiger til et høyere energinivå, utvide sin rekkevidde nok til å tillate en interaksjon med målet atom, «flipping» det og slik at de CNOT-porten til å fungere., «Ved hjelp av laser for å opphisse kontroll atom, kan vi slå på samhandling og utføre vår logikk gate, før du returnerer atomene til bakken staten, sier Saffman.
Tidligere eksperimenter hadde brukt ioner for å skape CNOT gates, men problemet med ioner er at det blir ladet, det er ingen enkel måte å bytte sine vekselsvirkningene av, noe som begrenser hvor mange som kan kombineres til en stabil qubit. Nøytral Rydberg atomer, men ikke møte dette problemet. Det er ikke å si at Rydberg atomer er en ny utvikling – de har vært kjent siden slutten av 1800-tallet., Hva er det egentlig som har påvirket utviklingen av Rydberg fysikk har vært bruk av laser fangst og kjøling, som Steven Chu, Carl Cohen-Tannoudji og William Phillips delte nobelprisen i Fysikk i 1997. Det er denne evnen som fysikere til å holde og manipulere individuelle atomer ved hjelp av lys som har åpnet veien for Rydberg atomer til å bli brukt i eksotiske nye programmer.
Tydelig forskjøvet
Lasere kan brukes til å lage en «optisk dipol-felle» som kan holde og kule atomer til å bare microkelvin over absolutt null, eller til og med ned til nanokelvin i noen tilfeller., Ved kryss og tvers av lasere, denne metoden kan utvides til en 2D-eller 3D optisk gitter. Lasere er innstilt til en farge som skiller seg fra atom er resonansfrekvens, for å unngå atomer absorbere noe av fotoner (som ville gi dem energi til å hoppe ut av fellen). På dette punktet, et fenomen som er kjent som den Store effekten kommer inn i bildet, som er skift i en atom-energi nivåer i respons til et elektrisk felt av vekselstrøm, som i den som er produsert av en elektromagnetisk bølge. For jord-stat atomer, energi-nivåer er flyttet til en litt lavere energi., Den mest intense delen av laserstråler, som er der de krysser i gitter, deretter blir et potensielt godt der atomene blir fanget, fordi det er her de opplever den største skift og taper mest energi (figur 1).
en Gang fanget, atomene kan da være glade til Rydberg staten ved å skyte et foton av resonansfrekvens på dem. Problemet er, energi resonant foton kan rist atom ut av fellen, og så letingen har vært på for «magic bølgelengder» som både kan felle og opphisse et atom på samme tid., I 2015, basert på nesten et tiår er verdt av arbeidet med atomic fysikere, en gruppe ledet av fysikeren Trey Porto ved University of Maryland er Felles Quantum Institute, USA, fant en magisk frekvens for rubidium atomer som samtidig fanger dem i to forskjellige kvantetilstander, som har rektor quantum tall n = 5 n = 18 (Phys. Rev. En 91 032518). Med andre ord, de kan være glade til en Rydberg tilstand av 18 år, hvor den glade elektronet er i 18s orbital, mens resterende i den fellen. Denne magiske bølgelengde tilsvarer en infrarød bølgelengde på ca 1064 nm., Ved en ren lykketreff, dette er bølgelengden er produsert av en Nd:YAG laser, som de fleste fysikere bruker likevel, fordi det gir noen av de billigste laser strøm tilgjengelig. Det er spesielt viktig når du vil ha et mye strøm uten bankrupting din fysikk institutt.
«Virkelig, vi har vært sleipe og plukket ut en farge på lyset som feller både Rydberg si at vi er interessert i og bakken staten, sier fysiker Elizabeth Goldschmidt, som var en av Porto team-medlemmer, og er nå basert på US Army Research Laboratory i Maryland.,
Selv om Porto-teamet spent på rubidium opp til 18 år, det var bare en start. For å få til høyere quantum tall – noe som resulterer i sterkere vekselsvirkningene over større avstander mellom atomer samt forlenger levetiden brukt i opphisset tilstand – du trenger kortere og kortere magic bølgelengder. Lasere som sender ut disse kortere bølgelengder er ikke så utbredt som 1064 nm lasere, og på de høyeste frekvenser, kan de bli kostnadene uoverkommelige. Likevel, den magiske bølgelengder er et enormt fremskritt for fysikere som Saffman., «Han feller individuelle atomer og får dem til å samhandle i porten, så han bryr seg mer om å finne sin magi bølgelengder, sier Goldschmidt.
så langt Så bra, men magic bølgelengder og Rydberg eksitasjon er ikke nok på sine egne for å gjøre et kvantesprang datamaskinen. Det som mangler er quantum aspekt som gjør at en qubit å eksistere i mange stater på en gang, i motsetning til binære biter som bare kan ligge i ett av de to statene. I Rydberg fysikk, dette quantum aspekt er gitt gjennom forviklinger.,
«forviklinger er den biten som gir deg noe mer enn det du kan gjøre med en klassisk datamaskin, forklarer Charles Adams, en fysiker med Felles Quantum Sentrum ved Durham University i STORBRITANNIA. Forviklinger er produsert av samspillet av Rydberg atomer med andre unexcited atomer rundt dem. I hovedsak, Saffman er CNOT gate er en forviklinger maskin og effektiviteten av porten kommer an på «fidelity» av forviklinger, som er definert som mengden av vellykket beregninger at viklet logikk gate oppnår i forhold til det totale antall forsøk.,
Kjører blokaden
Når atomene er qubits, fotonet rolle er rett og slett å opphisse atomer i sine Rydberg stater. Imidlertid, Adams, blant andre, har vært å jage en litt annen premie: en kvante-maskin laget av lys.
I en slik enhet, snarere enn atomer blir qubits, fotoner ville fungere som qubits i stedet. Umiddelbart det er en potensiell showstopper. Fotoner, blir massless partikler, ikke samhandle med en annen, og slik at det normalt ikke kan lage logiske porter., Utsette dem for Rydberg atomer, imidlertid, og spillet endringer, slik at fysikere til å lage eksotiske fotoniske stater og til og med «molekyler» av lys.
Det er mulig, takket være den cliquey arten av Rydberg atomer. Samle en nær haug av rubidium atomer (eller strontium, cesium, natrium eller hva ditt favoritt nøytralt atom er), kjøle dem ned og sender i et foton. En av atomer som er eksitert til Rydberg staten og i samspill med andre atomer rundt det, skiftende energinivået., Så når en andre, identiske, foton er sendt inn i denne «Rydberg ensemble», den finner at det er plutselig ute av harmoni med sine resonansfrekvens og kan ikke opphisse dem. I hovedsak, Rydberg atomer sette en «blokade» på etablering av andre Rydberg atomer fra andre fotonet innenfor et volum kanskje 10 µm i diameter.
For det andre fotonet, men det er gode nyheter., «Det betyr at det andre fotonet ser en annen optisk svar til middels effektivt det kan se en annen refractive index – slik atferd-mediet til det andre fotonet er svært forskjellig fra den første,» sier Adams. Så lenge de to fotoner er på samme frekvens, rubidium sky blir gjennomsiktig til det andre fotonet, en effekt som kalles «elektromagnetisk indusert åpenhet»., Vanligvis er det andre fotonet ville rase fremover, men rubidium cloud refractive index er endret på en slik måte at det andre fotonet forblir nær Rydberg ensemble begeistret av den første foton.
Som atomer begeistret av den første foton gå tilbake til bakken staten etter noen mikrosekunder, så ikke bare kan den første fotonet fortsetter på sin måte, men det andre fotonet er også fritt til å danne sin egen Rydberg ensemble, sette en blokade på den første foton., I denne mote, de to fotoner dytte og dra hverandre gjennom rubidium cloud på ca 400 m/s, før de dukker opp sammen, quantum floke seg og tilsynelatende bundet som et molekyl.
I denne situasjonen, fotoner og Rydberg atomer bli sterkt sammen, sier Mikhail Lukin av Harvard University, USA., Han co-laget blokaden teknikk i kaldt atomer i 2001 sammen med sine kolleger Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac og Peter Zoller, og var også den første til å bruke blokader for å opprette disse Rydberg-forbedret molekyler av lys i 2012 sammen med Vladimir Vuletić av Massachusetts Institute of Technology, USA.
«koplingen betyr at de i hovedsak danne en ny kvasi-partikkel kalt en polariton, som er en del lys og en del atomer,» Lukin forklarer., Atomic halvparten av polariton fungerer som en brems for fotoner, slik at større atom-eksitasjon, jo tregere forplantning hastigheten av fotoner gjennom rubidium. Lukin og Vuletić jobber nå på å gjenta eksperimentet med mer enn to fotoner.
Disse foton–foton vekselsvirkningene er fundamentalt forskjellig fra hvordan lys fungerer normalt, og de åpner døren for viklet seg inn ved hjelp av fotoner som kretser av kvante-datamaskiner. Men atomic logiske porter er ikke ute av bildet ennå, sier Goldschmidt., Hun mener at den optiske logiske porter av samspill fotoner ville være bedre anvendt til quantum simuleringer snarere enn quantum computing per se.
En kvante-simulator, som navnet antyder, simulerer komplekse systemer snarere enn beregner dem. I hovedsak, det er en quantum versjon av en datastyrt mange-legeme simulering, og vil bli utviklet til å takle spesifikke problemer., «I en quantum simulering du har samspillet mellom de mange likene av din quantum systemet, og du kan dermed simulere noen andre mange-legeme quantum system uten å prøve å implementere koden med bestemte porter,» sier Goldschmidt.
Stasjonære enheter
Forskere som arbeider på Rydberg fysikk har én viktigste målet, uavhengig av om Rydberg atomer i seg selv vil være kretser av quantum information systems, eller om fotoner tilrettelagt av Rydberg atomer ta denne rollen., Målet deres er å presse på for høyere kvalitet i manipulasjon av disse logiske porter for å øke kvaliteten på sin produksjon og gi interne feilrettinger. Den beste veien fremover, ser Lukin, er et hybrid-system, der Rydberg atomer og foton vekselsvirkningene er begge involvert i å bearbeide informasjon.
«Hva er interessant om vår tilnærming er at det gjør oss i stand til å utnytte det beste fra begge verdener, sier han. «For databehandling, kanskje du ønsker å lagre qubits ved hjelp av atomer, men for å kommunisere mellom lagret qubits, du faktisk ønsker å bruke fotoner.,»
Adams går enda videre, spekulere hvordan kvante-datamaskiner og simulatorer kan en dag bli stasjonære maskiner, ikke ved kjøling sine atomer til utrolig kalde temperaturer, noe som innebærer store apparater og mye kraft, men ved å operere i romtemperatur. Adams og hans kolleger ved Durham har gjennomført eksperimenter med Rydberg atomer i «hot» damp opp til 50 °C, men problemet er Brownske bevegelser som oppstår i varme, energisk atomer., Siden fotoner er lagret i medium som en bølge, dette bevegelse ødelegger fase informasjon, noe som betyr at det fotoniske qubit kan ikke hentes. Likevel, om dette og andre utfordringer kan være en løsning, da Adams tyder på at det kan være mulig å bygge en kvante-maskin som fotoner som er lagret i virtuelle bobler pålegges av Rydberg blokade prosessen formidle en interaksjon som danner en optisk gate. «Men vi er fortsatt noen måte av å vite hvordan å gjøre denne type integrert alle-optisk krets,» sier han.
Rydberg fysikk er ikke det eneste spillet i byen når det kommer til kvante-datamaskiner., Fanget ioner, superledere, diamanter og Bose–Einstein kondenskjerner blant andre konkurrenter for quantum krone. Men Rydberg atomene har andre bruksområder også. For eksempel, ved å velge en Rydberg ensemble på en bestemt resonansfrekvens – si terahertz, eller mikrobølgeovn – det kunne fungere som en avansert sensor, som gir en optisk utgang når den plukker opp disse feltene., Foton–foton vekselsvirkningene tvunget av Rydberg blokader kan også føre til eksotiske land av lys som er vurdert krystallinsk eller væske, hvor vekselsvirkningene hold fotoner sammen i noe som kan se ut som en lightsaber.
«Rydberg fysikk har vokst i momentum gjennom det siste tiåret, sier Adams. «Det er grupper nesten overalt nå gjør noen aspekter av dette.»Det er utrolig hva Rydberg fysikk kunne oppnå, vurderer ingrediensene er noen av de enkleste ting i universet: atomer og fotoner.,
- Journal of Physics B, fra IOP Publisering – som også utgir Fysikk Verden – er nå lanserer et fokus problemet på «Rydberg atomfysikk»
- Nyt resten av April 2016 spørsmålet om Fysikk Verden i vårt digitale magasin eller via Fysikk Verden app for alle iOS-eller Android-smarttelefon eller-nettbrett. Medlemskap ved Institutt for Fysikk er nødvendig