Quantum computers van de toekomst zou kunnen werken via de energie-overgangen van de aangeslagen atomen, of zelfs van zuiver licht, als een snel groeiende gebied van de atoomfysica blijft om te voldoen aan succes, schrijft Keith Cooper
Voor natuurkundigen achter de heilige graal van de quantum computing, een smakelijk recept is steeds meer voorkomen., Strooi een handvol atomen – rubidium is een populair ingrediënt – in een vacuümkamer. Behandel met laserstralen om de atomen te koelen tot fracties van een graad boven het absolute nulpunt. Voeg dan een paar fotonen toe en hey presto – je hebt een van de basis bouwstenen van een quantumcomputer gemaakt.”dat is het basisidee”, zegt Mark Saffman, een atoomfysicus aan de Universiteit van Wisconsin–Madison in de VS. Centraal staan Rydberg-atomen, die een enkel buitenste valentie-elektron hebben dat kan worden opgewekt tot hogere kwantumtoestanden. Ze zijn de grote vaders van de atomaire wereld., Een atoomkern is meestal femtometers groot, maar in een Rydberg-atoom kan het opgewekte valentie-elektron microns van de kern afreizen terwijl het er toch aan gebonden blijft, waardoor de atoomstraal een miljard keer groter wordt. Met zo ‘ n groot bereik kan een Rydberg-atoom interageren met andere nabijgelegen atomen via een krachtig elektrisch dipoolmoment dat een miljoen keer beter is dan “gewone” atomen. Het is deze interactieve kracht – en de mogelijkheid om het te controleren met een enkel, zorgvuldig gekozen foton – dat Rydberg-atomen zo ‘ n krachtige kracht maakt in de wereld van kwantuminformatiesystemen.,
Gateway-technologie
in het hart van een computer – digitaal of kwantum – bevinden zich logische poorten. Een kwantumcomputer werkt op atomaire schaal, waar kwantummechanica heerst, wat betekent dat de logische poorten ook uit atomen moeten worden gebouwd. Een niet-poort, bijvoorbeeld, heeft een enkele ingang en twee toestanden, 0 en 1, maar om de poort te laten werken vereist het dat de atomen niet alleen interageren, maar dat de interactie wordt gecontroleerd. De elektrische dipoolsterkte van Rydberg-atomen en ons vermogen om hun excitatie te beheersen, maken ze perfect voor kwantumlogicapoorten.,in 2010 demonstreerden Saffman en zijn collega ’s in Wisconsin het vermogen om logische poorten te bouwen met behulp van twee neutrale rubidium-atomen, als aanvulling op het werk van een team onder leiding van Philippe Grangier aan het Institut d’ Optique in de buurt van Parijs. De kwantumversie van een NOT-poort is de gecontroleerde-niet – of CNOT – poort, waarin de rubidium-atomen zelf de kwantumbits-of “qubits” – van informatie zijn. De ene heet “control” en de andere “target”., In hun grondtoestand, die verschillende hyperfijnestaten heeft die de kwantuminformatie bevatten, interageren de atomen niet-de vier microns die ze scheiden kunnen net zo goed een oneindigheid zijn. Echter, door het opwekken van het besturingsatoom in de Rydberg-staat door het afvuren van een resonant foton op het dat wordt geabsorbeerd, het valentie elektron stijgt naar een hoger energieniveau, uitbreiding van zijn bereik voldoende om een interactie met het doelatoom mogelijk te maken, “flipping” het en waardoor de CNOT poort te werken., “Door de laser te gebruiken om het controleatoom op te wekken, kunnen we de interactie inschakelen en onze logische poort uitvoeren, voordat we de atomen naar de grondtoestand terugbrengen”, zegt Saffman.
eerdere experimenten hadden ionen gebruikt om CNOT-poorten te maken, maar het probleem met ionen is dat, geladen, er geen gemakkelijke manier is om hun interacties uit te schakelen, wat beperkt hoeveel kunnen worden gecombineerd tot een stabiele qubit. Neutrale Rydberg atomen, echter, niet geconfronteerd met dit probleem. Dat wil niet zeggen dat Rydberg atomen zijn een nieuwe ontwikkeling-ze zijn bekend over sinds de late jaren 1800., Wat de ontwikkeling van Rydberg-fysica echt heeft gestimuleerd, is de komst van laservangers en-koeling, waarvoor Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji en William Phillips in 1997 de Nobelprijs voor de natuurkunde deelden. Het is dit vermogen van natuurkundigen om individuele atomen vast te houden en te manipuleren met behulp van licht dat de weg heeft geopend voor Rydberg atomen om te worden gebruikt in exotische nieuwe toepassingen.
Starkly shifted
Lasers kunnen worden gebruikt om een “optische dipoolval” te creëren die atomen kan vasthouden en afkoelen tot louter microkelvin boven het absolute nulpunt, of zelfs tot nanokelvin in sommige gevallen., Door de lasers kriskras te kruisen, kan deze methode worden uitgebreid tot een 2D of 3D optisch rooster. De lasers zijn afgestemd op een kleur die verschilt van de resonantiefrequentie van het atoom, om te voorkomen dat de atomen fotonen absorberen (waardoor ze energie krijgen om uit de val te springen). Op dit punt speelt een fenomeen dat bekend staat als het Stark-effect, dat is de verschuiving in de energieniveaus van een atoom in reactie op een elektrisch veld van wisselstroom, zoals in dat van een elektromagnetische golf. Voor atomen in de grondtoestand worden de energieniveaus verschoven naar een iets lagere energie., Het meest intense deel van de laserstralen, dat is waar ze kruisen in het rooster, wordt dan een potentiaalbron waarin de atomen gevangen raken, omdat het hier is dat ze de grootste verschuiving ervaren en de meeste energie verliezen (figuur 1).
eenmaal gevangen, kunnen de atomen dan worden opgewekt om de Rydberg-toestand door het afvuren van een foton van resonantiefrequentie op hen. Het probleem is dat de energie van het resonantiefoton het atoom uit de val kan schudden, en dus is er gezocht naar “magische golflengten” die tegelijkertijd een atoom kunnen vangen en opwekken., In 2015, voortbouwend op bijna tien jaar werk van atomaire fysici, vond een groep onder leiding van fysicus Trey Porto aan het Joint Quantum Institute van de Universiteit van Maryland, US, een magische frequentie voor rubidium-atomen die ze tegelijkertijd in twee verschillende kwantumtoestanden vangen, die de belangrijkste kwantumgetallen n = 5 en n = 18 (Phys. A 91 032518). Met andere woorden, ze kunnen worden opgewekt tot een Rydberg staat van 18s, waar het opgewonden elektron is in de 18S orbitaal, terwijl de resterende in de val. Deze magische golflengte komt overeen met een infrarode golflengte van ongeveer 1064 nm., Door een pure slag van geluk, Dit is de golflengte geproduceerd door een Nd: YAG laser,die de meeste natuurkundigen toch gebruiken omdat het een aantal van de goedkoopste laser macht beschikbaar. Dat is vooral belangrijk als je veel macht wilt zonder je natuurkunde afdeling failliet te laten gaan.”echt, We zijn stiekem geweest en hebben een kleur van licht gekozen die zowel de Rydberg-staat waarin we geïnteresseerd zijn als de grondstaat insluit,” zegt natuurkundige Elizabeth Goldschmidt, die een van Porto ‘ s teamleden was en nu is gebaseerd op het US Army Research Laboratory in Maryland.,
hoewel Porto ‘ s team de rubidium enthousiast maakte tot 18s, was het slechts een start. Om tot hogere kwantumgetallen te komen-wat resulteert in sterkere interacties over grotere afstanden tussen atomen en het verlengen van de levensduur die in de opgewonden toestand wordt doorgebracht – heb je steeds kortere magische golflengten nodig. Lasers die deze kortere golflengten uitzenden zijn niet zo breed beschikbaar als 1064 nm-lasers en bij de hoogste frequenties kunnen ze kosten-prohibitief worden. Toch zijn de magische golflengten een enorme vooruitgang voor natuurkundigen zoals Saffman., “Hij vangt individuele atomen en krijgt ze om te interageren in poorten, dus hij geeft meer om het vinden van hun magische golflengten,” zegt Goldschmidt.
tot nu toe zo goed, maar magische golflengten en Rydberg excitatie zijn niet genoeg op zichzelf om een kwantumcomputer te maken. Wat ontbreekt is het kwantumaspect dat een qubit in vele toestanden tegelijk laat bestaan, in tegenstelling tot binaire bits die slechts in één van twee toestanden kunnen zijn. In de Rydberg-fysica wordt dit kwantumaspect geleverd door verstrengeling.,
” de verstrengeling is het bit dat je iets meer geeft dan je met een klassieke computer kunt doen”, legt Charles Adams uit, een natuurkundige van het Joint Quantum Centre aan de Durham University in het Verenigd Koninkrijk. De verstrengeling wordt veroorzaakt door de interactie van de Rydberg-atomen met andere niet-opgewonden atomen om hen heen. In essentie is de CNOT-poort van Saffman een verstrengelingsmachine en de efficiëntie van de poort hangt af van de “trouw” van de verstrengeling, die wordt gedefinieerd als de hoeveelheid succesvolle berekeningen die de verstrengelde logische poort bereikt in vergelijking met het totale aantal pogingen.,
het uitvoeren van de blokkade
wanneer de atomen de qubits zijn, is de rol van het foton simpelweg om de atomen op te wekken in hun Rydberg-toestand. Echter, Adams, onder anderen, heeft najagen een iets andere prijs: een kwantum computer gemaakt van licht.
in een dergelijk apparaat, in plaats van dat de atomen qubits zijn, zouden de fotonen in plaats daarvan als qubits fungeren. Er is meteen een potentiële showstopper. Fotonen, die massaloze deeltjes zijn, interageren niet met elkaar en kunnen dus gewoonlijk geen logische poorten creëren., Stel ze bloot aan Rydberg-atomen en het spel verandert, waardoor natuurkundigen exotische fotonische toestanden en zelfs “moleculen” van licht kunnen creëren.
Het is allemaal mogelijk dankzij de cliquey aard van Rydberg atomen. Verzamel een dicht bos rubidium atomen (of strontium, cesium, natrium of wat je favoriete neutrale atoom ook is), koel ze af en stuur een foton. Een van de atomen is opgewonden om de Rydberg staat en interageert met de andere atomen eromheen, het verschuiven van hun energieniveaus., Dus wanneer een tweede, identieke, foton wordt verzonden in dit “Rydberg ensemble”, het merkt dat het plotseling is niet afgestemd op hun resonant frequentie en kan ze niet prikkelen. In essentie, de Rydberg atomen zetten een” blokkade ” op de creatie van andere Rydberg atomen uit een tweede foton binnen een volume misschien 10 µm in diameter.
voor het tweede foton is dat echter goed nieuws., “Het betekent dat het tweede foton een andere optische reactie op het medium ziet – effectief kan het een andere brekingsindex zien – dus het gedrag van het medium tot het tweede foton is heel anders dan het eerste,” zegt Adams. Zolang de twee fotonen van dezelfde frequentie zijn, wordt de rubidiumwolk transparant voor het tweede foton, een effect dat “elektromagnetisch geïnduceerde transparantie”wordt genoemd., Normaal zou het tweede foton vooruit racen, maar de brekingsindex van de rubidiumwolk wordt zodanig gewijzigd dat het tweede foton dicht bij het Rydberg-ensemble blijft dat het eerste foton wordt opgewekt.
als de atomen die door het eerste foton worden opgewekt na een paar microseconden terugkeren naar de grondtoestand, dan kan niet alleen het eerste foton zijn weg vervolgen, maar het tweede foton is ook vrij om zijn eigen Rydberg-ensemble te vormen, waardoor het eerste foton wordt geblokkeerd., Op deze manier duwen en trekken de twee fotonen elkaar door de rubidiumwolk met een snelheid van ongeveer 400 m/s, totdat ze samen tevoorschijn komen, kwantumverstrengeld en schijnbaar gebonden als een molecuul.
in deze situatie worden de fotonen en Rydberg-atomen sterk gekoppeld, zegt Mikhail Lukin van Harvard University, US., Samen met zijn collega ‘ s Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac en Peter Zoller creëerde hij in 2001 de blokkadetechniek in koude atomen en was hij ook de eerste die blokkades gebruikte om deze Rydberg-enhanced moleculen van licht te creëren in 2012, samen met Vladan Vuletić van het Massachusetts Institute of Technology, US.
” de koppeling betekent dat ze in wezen een nieuw quasi-deeltje vormen, een polariton genaamd, dat deels licht en deels atomen is, ” legt Lukin uit., De atomaire helft van het polariton werkt als een rem voor de fotonen, dus hoe groter de atomaire excitatie, hoe langzamer de voortplantingssnelheid van de fotonen door het rubidium. Lukin en Vuletić zijn nu bezig met het herhalen van het experiment met meer dan twee fotonen.
deze foton–foton interacties zijn fundamenteel verschillend van hoe licht normaal werkt en ze openen de deur voor het gebruik van verstrengelde fotonen als circuits van kwantumcomputers. Maar atomaire logische poorten zijn nog niet uit beeld, zegt Goldschmidt., Ze denkt dat de optische logische poorten van de interagerende fotonen beter zouden worden toegepast op kwantumsimulaties in plaats van kwantum computing op zich.
een kwantumsimulator, zoals de naam al doet vermoeden, simuleert complexe systemen in plaats van ze te berekenen. In essentie is het een kwantumversie van een geautomatiseerde veellichaamsimulatie en zou ontworpen zijn om specifieke problemen aan te pakken., “In een kwantumsimulatie heb je interacties tussen de vele lichamen van je kwantumsysteem en kun je zo een ander veellichaams kwantumsysteem simuleren zonder te proberen code met specifieke poorten te implementeren”, zegt Goldschmidt.
Desktop-apparaten
onderzoekers die aan de Rydberg-fysica werken, hebben één belangrijk doel, ongeacht of de Rydberg-atomen zelf de circuits van kwantuminformatiesystemen zullen zijn, of dat fotonen die door Rydberg-atomen worden gefaciliteerd die rol spelen., Hun doel is om aan te dringen op manipulatie van deze logische poorten met een hogere betrouwbaarheid om de kwaliteit van hun output te verhogen en interne foutcorrecties te bieden. De beste weg vooruit, envisions Lukin, is een hybride systeem, waarbij Rydberg-atomen en fotoninteracties beide betrokken zijn bij de informatieverwerking.
” wat interessant is aan onze aanpak is dat het ons in staat stelt om het beste van beide werelden te gebruiken,” zegt hij. “Voor computing wil je misschien qubits opslaan met atomen, maar om te communiceren tussen de opgeslagen qubits, wil je eigenlijk fotonen gebruiken.,”
Adams gaat nog verder, speculerend hoe quantumcomputers en simulatoren ooit desktopmachines zouden kunnen worden, niet door hun atomen af te koelen tot ongelooflijk koude temperaturen, waarbij grote apparaten en veel energie nodig zijn, maar door op kamertemperatuur te werken. Adams en zijn collega ‘ s in Durham hebben experimenten uitgevoerd met Rydberg-atomen in “hete” dampen tot 50 °C, maar het probleem is de Brownse beweging die volgt in de warme, energetische atomen., Aangezien fotonen in het medium als een golf worden opgeslagen, vernietigt deze beweging de faseinformatie, wat betekent dat de fotonische qubit niet kan worden opgehaald. Toch, als deze en andere uitdagingen kunnen worden overwonnen, dan Adams suggereert dat het mogelijk is om een quantum computer te bouwen waarin fotonen opgeslagen in virtuele bubbels opgelegd door de Rydberg blokkade proces bemiddelen een interactie die een optische poort vormt. “Maar we zijn nog steeds een manier om te weten hoe dit soort geïntegreerde all-optische circuit te doen,” zegt hij.
Rydberg fysica is niet het enige spel in de stad als het gaat om kwantumcomputers., Gevangen ionen, supergeleiders, diamanten en Bose–Einstein condensaten onder andere zijn concurrenten voor de kwantum Kroon. Maar Rydberg atomen hebben ook andere toepassingen. Bijvoorbeeld, door te kiezen voor een Rydberg ensemble op een specifieke resonantiefrequentie-zeg terahertz, of magnetron-het zou kunnen fungeren als een geavanceerde sensor, het produceren van een optische uitgang wanneer het pikt die velden., Foton-foton interacties geforceerd door Rydberg blokkades kunnen zelfs leiden tot exotische toestanden van licht die worden beschouwd als kristallijn of vloeibaar, waar de interacties houden de fotonen samen in iets dat zou kunnen lijken op een lichtzwaard.”Rydberg physics has grown in momentum throughout the last decade,” says Adams. “Er zijn nu bijna overal groepen die daar iets aan doen.”Het is opmerkelijk wat Rydberg natuurkunde kon bereiken, gezien de ingrediënten zijn enkele van de eenvoudigste dingen in het universum: atomen en fotonen.,Journal of Physics B, van IOP Publishing – dat ook Physics World publiceert – brengt momenteel een focusnummer uit over “Rydberg atomic physics”
- geniet van de rest van het April 2016 nummer van Physics World in ons digitale magazine of via de Physics World app voor elke iOS of Android smartphone of tablet. Lidmaatschap van het Instituut voor Natuurkunde vereist