komputery kwantowe przyszłości mogą działać poprzez przejścia energetyczne wzbudzonych atomów, lub nawet z czystego światła, jeśli szybko rosnący obszar Fizyki Atomowej nadal spotyka się z sukcesem, pisze Keith Cooper
dla fizyków goniących Świętego Graala informatyki kwantowej jeden smaczny przepis staje się coraz bardziej powszechny., Posypać garść atomów-rubid jest popularnym składnikiem – do komory próżniowej. Potraktuj wiązkami lasera, aby schłodzić Atomy do zaledwie ułamków stopnia powyżej zera bezwzględnego. Następnie dodaj kilka fotonów i hej presto-stworzyłeś jeden z podstawowych elementów składowych komputera kwantowego.
przynajmniej „to jest podstawowa idea”, mówi Mark Saffman, fizyk atomowy na Uniwersytecie Wisconsin–Madison w USA. W centrum tego wszystkiego są atomy Rydberga, które mają pojedynczy zewnętrzny elektron walencyjny, który może być wzbudzony do wyższych stanów kwantowych. To wielcy Tatusiowie atomowego świata., Zazwyczaj jądro atomowe ma rozmiar femtometrów, ale w atomie Rydberga wzbudzony elektron walencyjny może podróżować mikronami od jądra, pozostając nadal związany z nim, balonując promień atomowy miliard razy w rozmiarze. Przy tak dużym zasięgu Atom Rydberga może oddziaływać z innymi pobliskimi atomami poprzez potężny elektryczny moment dipolowy milion razy lepszy niż” zwykłe ” Atomy. To właśnie ta interaktywna moc – i możliwość kontrolowania jej za pomocą jednego, starannie dobranego fotonu-sprawia, że atomy Rydberga są tak potężną siłą w świecie kwantowych systemów informacyjnych.,
Technologia bramek
sercem każdego komputera – cyfrowego lub kwantowego – są bramki logiczne. Komputer kwantowy pracuje w skali atomowej, gdzie rządzi mechanika kwantowa, co oznacza, że bramy logiczne muszą być również zbudowane z atomów. Na przykład Brama NOT ma jedno wejście i dwa stany, 0 i 1, ale aby brama działała, wymaga, aby Atomy nie tylko oddziaływały, ale aby interakcja była kontrolowana. Elektryczna siła dipolowa atomów Rydberga i nasza zdolność do kontrolowania ich wzbudzenia sprawiają, że są idealne do bramek logiki kwantowej.,
w 2010 roku Saffman i jego koledzy z Wisconsin wykazali umiejętność budowania bram logicznych przy użyciu dwóch neutralnych atomów rubidu, uzupełniając pracę zespołu kierowanego przez Philippe 'a Grangiera w Institut d' Optique pod Paryżem. Kwantowa wersja bramy NOT jest kontrolowaną-NOT, lub CNOT, bramą, w której Atomy rubidu same są kwantowymi bitami – lub” kubitami ” – informacji. Jeden jest oznaczony jako „kontrola”, a drugi „cel”., W ich stanie naziemnym, który zawiera różne stany hiperfinalne, które przechowują informacje kwantowe, Atomy nie oddziałują ze sobą – cztery mikrony oddzielające je mogą być nieskończonością. Jednakże, poprzez wzbudzenie atomu kontrolnego do stanu Rydberga poprzez wystrzelenie rezonansowego fotonu na niego, który zostaje wchłonięty, elektron walencyjny wznosi się do wyższego poziomu energii, rozszerzając jego zasięg wystarczająco, aby umożliwić interakcję z atomem docelowym, „przewracając” go i umożliwiając działanie bramy CNOT., „Używając lasera do wzbudzenia atomu kontrolnego, możemy włączyć interakcję i wykonać naszą bramę logiczną, zanim Atomy powrócą do stanu uziemienia”, mówi Saffman.
poprzednie eksperymenty wykorzystywały jony do tworzenia bramek CNOT, ale problem z jonami polega na tym, że po naładowaniu nie ma łatwego sposobu na wyłączenie ich interakcji, co ogranicza liczbę możliwych do połączenia w stabilny Kubit. Neutralne Atomy Rydberga nie stawiają jednak czoła temu problemowi. To nie znaczy, że atomy Rydberga są nowym rozwojem – były one znane od końca 1800 roku., To, co naprawdę pobudziło rozwój fizyki Rydberga, to pojawienie się laserowego pułapkowania i chłodzenia, za które Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji i William Phillips podzielili się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1997 roku. To właśnie ta zdolność fizyków do utrzymywania i manipulowania pojedynczymi atomami za pomocą światła otworzyła drogę atomom Rydberga do wykorzystania w nowych egzotycznych zastosowaniach.
lasery mogą być używane do tworzenia „optycznej pułapki dipolowej”, która może zatrzymywać i chłodzić Atomy do samego mikrokelwina powyżej zera bezwzględnego, a w niektórych przypadkach nawet do nanokelwina., Poprzez krzyżowanie laserów, metoda ta może być rozszerzona na siatkę optyczną 2D lub 3D. Lasery są dostrojone do koloru różniącego się od częstotliwości rezonansowej atomu, aby uniknąć atomów absorbujących fotony (które dałyby im energię do wyskoczenia z pułapki). W tym momencie wchodzi w grę zjawisko znane jako efekt Starka, które jest przesunięciem poziomu energii atomu w odpowiedzi na pole elektryczne prądu zmiennego, jak w tym wytwarzanym przez falę elektromagnetyczną. Dla atomów stanu podstawowego poziomy energii są przesunięte do nieco niższej energii., Najbardziej intensywna część wiązek lasera, gdzie krzyżują się w sieci, następnie staje się studnią potencjalną, w której Atomy zostają uwięzione, ponieważ to tutaj doświadczają największego przesunięcia i tracą najwięcej energii (ryc. 1).
po uwięzieniu atomy mogą być wzbudzone do stanu Rydberga, wystrzeliwując w nie Foton o częstotliwości rezonansowej. Problem w tym, że energia rezonansowego fotonu może wytrącić atom z pułapki, więc trwają poszukiwania „magicznych długości fal”, które mogą jednocześnie uwięzić i wzbudzić atom., W 2015 roku, opierając się na prawie Dziesięcioletniej pracy fizyków atomowych, grupa kierowana przez fizyka Treya Porto ze wspólnego Instytutu kwantowego Uniwersytetu Maryland w USA, odkryła magiczną częstotliwość atomów rubidu, która jednocześnie zatrzymuje je w dwóch różnych stanach kwantowych, które mają główne liczby kwantowe n = 5 I N = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Innymi słowy, mogą być wzbudzone do stanu Rydberga 18s, gdzie wzbudzony elektron znajduje się na orbitalu 18s, pozostając w pułapce. Ta magiczna długość fali odpowiada długości fali podczerwieni około 1064 nm., Przy odrobinie szczęścia jest to długość fali wytwarzana przez laser Nd: YAG, którego większość fizyków i tak używa, ponieważ zapewnia jedne z najtańszych dostępnych mocy lasera. Jest to szczególnie ważne, gdy chcesz mieć dużo energii bez bankructwa Wydziału Fizyki.
„naprawdę, byliśmy podstępni i wybrał kolor światła, który pułapki zarówno stan Rydberg, że jesteśmy zainteresowani i stan gruntu,” mówi fizyk Elizabeth Goldschmidt, który był jednym z członków zespołu Porto, a teraz ma siedzibę w US Army Research Laboratory w Maryland.,
mimo, że drużyna Porto cieszyła się rubidem do lat 18, to był to dopiero początek. Aby uzyskać wyższe liczby kwantowe – co skutkuje silniejszymi oddziaływaniami na większe odległości między atomami, a także wydłuża żywotność spędzoną w stanie wzbudzonym – potrzebujesz krótszych i krótszych fal magicznych. Lasery emitujące te krótsze długości fal nie są tak szeroko dostępne jak lasery 1064 nm i przy najwyższych częstotliwościach mogą stać się kosztowne. Niemniej jednak, magiczne długości fal są ogromnym postępem dla fizyków takich jak Saffman., „Zatrzymuje pojedyncze atomy i zmusza je do interakcji w gates, więc bardziej zależy mu na znalezieniu ich magicznych długości fal”, mówi Goldschmidt.
jak na razie dobrze, ale magiczne fale i wzbudzenie Rydberga nie wystarczą same, aby stworzyć komputer kwantowy. Brakuje aspektu kwantowego, który pozwala kubitowi istnieć w wielu stanach jednocześnie, w przeciwieństwie do bitów binarnych, które mogą być tylko w jednym z dwóch stanów. W fizyce Rydberga ten aspekt kwantowy jest dostarczany przez splątanie.,
„splątanie jest tym, co daje Ci coś więcej, niż możesz zrobić z klasycznym komputerem”, wyjaśnia Charles Adams, fizyk ze Wspólnego Centrum kwantowego na Uniwersytecie w Durham w Wielkiej Brytanii. Uwikłanie jest wytwarzane przez interakcję atomów Rydberga z innymi niespójnymi atomami wokół nich. W istocie Brama Saffmana CNOT jest maszyną splątaną, a wydajność bramy zależy od „wierności” splątania, która jest definiowana jako ilość udanych obliczeń, jakie osiąga Brama splątana w stosunku do całkowitej liczby prób.,
uruchamianie blokady
gdy atomy są kubitami, rolą fotonu jest po prostu wzbudzenie atomów do ich Stanów Rydberga. Jednak m.in. Adams ścigał nieco inną nagrodę: komputer kwantowy wykonany ze światła.
w takim urządzeniu, zamiast atomów będących kubitami, fotony będą działać jako kubity. Natychmiast pojawia się potencjalny showstopper. Fotony, będące bezmasowymi cząstkami, nie oddziałują ze sobą, więc zazwyczaj nie mogą tworzyć bram logicznych., Wystawiają je jednak atomom Rydberga i gra się zmienia, pozwalając fizykom tworzyć egzotyczne Stany fotoniczne, a nawet „cząsteczki” światła.
to wszystko jest możliwe dzięki klikowej naturze atomów Rydberga. Zbierz blisko kilka atomów rubidu (lub strontu, cezu, sodu lub jakiegokolwiek ulubionego atomu neutralnego), ostudzić je i wysłać Foton. Jeden z atomów jest podekscytowany do stanu Rydberga I wchodzi w interakcje z innymi atomami wokół niego, przesuwając ich poziomy energii., Tak więc, kiedy drugi, identyczny, foton jest wysyłany do tego „Rydberg ensemble”, to okazuje się, że nagle jest z harmonii z ich częstotliwością rezonansową i nie może ich wzbudzić. W istocie, Atomy Rydberga „blokują” tworzenie innych atomów Rydberga z drugiego fotonu w objętości około 10 µm średnicy.
dla drugiego fotonu to jednak dobra wiadomość., „Oznacza to, że drugi Foton widzi inną odpowiedź optyczną na medium – w rzeczywistości może zobaczyć inny współczynnik załamania – więc zachowanie medium do drugiego fotonu jest bardzo różne od pierwszego”, mówi Adams. Tak długo, jak dwa fotony mają tę samą częstotliwość, obłok rubidu staje się przezroczysty dla drugiego fotonu, efekt zwany „przezroczystością indukowaną elektromagnetycznie”., Zwykle drugi Foton będzie ścigał się do przodu, ale współczynnik załamania obłoku rubidu zmienia się w taki sposób, że drugi Foton pozostaje blisko zespołu Rydberga podekscytowany przez pierwszy Foton.
gdy atomy wzbudzone przez pierwszy Foton wracają do stanu gruntu po kilku mikrosekundach, wtedy nie tylko pierwszy Foton może kontynuować swoją drogę, ale drugi Foton może również swobodnie tworzyć swój własny zespół Rydberga, blokując pierwszy Foton., W ten sposób dwa fotony pchają się i ciągną przez obłok rubidu z prędkością około 400 m / s, aż wyłaniają się razem, kwantowo splątane i pozornie związane jak cząsteczka.
w tej sytuacji fotony i Atomy Rydberga stają się silnie sprzężone, mówi Michaił Lukin z Uniwersytetu Harvarda, USA., Współtworzył technikę blokad w zimnych atomach w 2001 roku wraz ze swoimi kolegami Robinem Cote, Michaelem Fleischhauerem, Ignacio Ciracem i Peterem Zollerem, a także był pierwszym, który użył blokad do stworzenia tych ulepszonych cząsteczek światła Rydberg w 2012 roku wraz z Vladanem Vuleticiem z Massachusetts Institute of Technology, USA.
„sprzężenie oznacza, że zasadniczo tworzą nową quasi-cząstkę zwaną polaritonem, która jest częściowo światłem, a częściowo atomem”, wyjaśnia Lukin., Atomowa połowa polaritonu działa jak hamulec dla fotonów, więc im większe wzbudzenie atomowe, tym wolniejsza prędkość propagacji fotonów przez rubid. Lukin i Vuletić pracują teraz nad powtórzeniem eksperymentu z więcej niż dwoma fotonami.
te oddziaływania Foton–Foton zasadniczo różnią się od normalnego działania światła i otwierają drzwi do używania splątanych fotonów jako obwodów komputerów kwantowych. Ale atomic logic gates nie są jeszcze poza obrazem, mówi Goldschmidt., Uważa, że optyczne bramki logiczne oddziałujących fotonów byłyby lepiej stosowane do symulacji kwantowych, a nie obliczeń kwantowych jako takich.
symulator kwantowy, jak sama nazwa wskazuje, symuluje złożone układy, a nie je oblicza. W istocie jest to kwantowa wersja skomputeryzowanej symulacji wielu ciał i byłaby zaprojektowana do rozwiązywania konkretnych problemów., „W kwantowej symulacji masz interakcje między wieloma ciałami Twojego systemu kwantowego i możesz w ten sposób symulować jakiś inny system kwantowy o wielu ciałach bez próby implementacji kodu z określonymi bramkami”, mówi Goldschmidt.
urządzenia stacjonarne
badacze pracujący nad fizyką Rydberga mają jeden główny cel, niezależnie od tego, czy same Atomy Rydberga będą obwodami kwantowych systemów informacyjnych, czy też fotony wspomagane przez atomy Rydberga przyjmują tę rolę., Ich celem jest dążenie do większej wierności manipulacji tymi bramkami logicznymi w celu zwiększenia jakości ich wyjścia i zapewnienia wewnętrznych korekt błędów. Najlepszym sposobem na przyszłość, zakłada Lukin, jest układ hybrydowy, w którym atomy Rydberga i fotony oddziaływań są zarówno zaangażowane w przetwarzanie informacji.
„interesujące w naszym podejściu jest to, że pozwala nam ono wykorzystać to, co najlepsze z obu światów”, mówi. „Do obliczeń możesz chcieć przechowywać kubity za pomocą atomów, ale aby komunikować się między przechowywanymi kubitami, w rzeczywistości chciałbyś użyć fotonów.,”
Adams idzie jeszcze dalej, spekulując, w jaki sposób komputery kwantowe i symulatory mogą pewnego dnia stać się maszynami stacjonarnymi, nie przez chłodzenie ich atomów do niewiarygodnie mroźnych temperatur, co wymaga dużych urządzeń i dużej mocy, ale przez pracę w temperaturze pokojowej. Adams i jego koledzy z Durham przeprowadzili eksperymenty z atomami Rydberga w „gorących” oparach do 50 °C, ale problemem jest ruch Browna, który zachodzi w ciepłych, energicznych atomach., Ponieważ fotony są przechowywane w ośrodku jako fala, ruch ten niszczy informacje fazowe, co oznacza, że Kubit fotonowy nie może być odzyskany. Mimo to, jeśli to i inne wyzwania można pokonać, Adams sugeruje, że możliwe jest zbudowanie komputera kwantowego, w którym fotony przechowywane w wirtualnych pęcherzykach nałożonych przez blokadę Rydberga pośredniczą w interakcji, która tworzy bramę optyczną. „Ale wciąż jesteśmy daleko od wiedzy, jak zrobić tego rodzaju zintegrowany układ optyczny”, mówi.
fizyka Rydberga nie jest jedyną grą w mieście, jeśli chodzi o komputery kwantowe., Jony uwięzione, nadprzewodniki, diamenty i kondensaty Bose-Einsteina są konkurentami o koronę kwantową. Ale Atomy Rydberga mają też inne zastosowania. Na przykład, wybierając zespół Rydberga o określonej częstotliwości rezonansowej – powiedzmy terahercowej lub mikrofalowej – może on działać jako wyrafinowany czujnik, wytwarzający wyjście optyczne, gdy odbiera te pola., Interakcje Foton-Foton wymuszone blokadami Rydberga mogą nawet prowadzić do egzotycznych Stanów światła, które są uważane za krystaliczne lub ciekłe, gdzie interakcje utrzymują fotony razem w czymś, co może wyglądać jak miecz świetlny.
„fizyka Rydberga nabrała rozpędu w ciągu ostatniej dekady”, mówi Adams. „Prawie wszędzie są grupy, które zajmują się tym aspektem.”To niezwykłe, co fizyka Rydberga mogła osiągnąć, biorąc pod uwagę, że składniki są jednymi z najprostszych rzeczy we wszechświecie: atomy i fotony.,
- Journal of Physics B, od IOP Publishing – które również publikuje Physics World – obecnie wydaje numer skupienia na „fizyce atomowej Rydberg”
- ciesz się resztą kwietniowego numeru Physics World w naszym cyfrowym magazynie lub za pośrednictwem aplikacji Physics World na dowolny smartfon lub tablet z systemem iOS lub Android. Wymagane członkostwo w Instytucie Fizyki