calculatoarele Cuantice ale viitorului ar putea funcționa prin tranziții de energie de entuziasmat atomi, sau chiar din lumină pură, dacă o creștere rapidă în zona de fizică atomică continuă să îndeplinească cu succes, scrie Keith Cooper
Pentru fizicieni urmarind sfântul graal de calcul cuantic, o reteta gustoasa este din ce în ce mai răspândită., Presărați o mână de atomi – rubidiul este un ingredient popular – într-o cameră de vid. Tratați cu fascicule laser pentru a răci atomii la simple fracții de un grad peste zero absolut. Apoi adăugați câțiva fotoni și hei presto-ați creat unul dintre blocurile de bază ale unui computer cuantic.cel puțin, „aceasta este ideea de bază”, spune Mark Saffman, fizician atomic la Universitatea din Wisconsin–Madison din SUA. În centrul tuturor sunt atomii Rydberg, care au un singur electron de valență exterioară care poate fi excitat la stări cuantice superioare. Ei sunt tăticii mari ai lumii atomice., De obicei un nucleu atomic este femtometres în dimensiune, dar într-un atom Rydberg excitat electron de valenta pot călători microni din nucleu în timp ce încă rămase legat la acesta, explozia atomică rază de un miliard de ori în dimensiune. Cu o acoperire atât de mare, un atom Rydberg poate interacționa cu alți atomi din apropiere printr-un moment puternic de dipol electric de un milion de ori mai bun decât atomii „obișnuiți”. Această putere interactivă – și abilitatea de a o controla cu un singur foton ales cu grijă-face din atomii Rydberg o forță atât de puternică în lumea sistemelor informaționale cuantice.,
tehnologia Gateway
în centrul oricărui computer-digital sau cuantic-sunt porți logice. Un computer cuantic funcționează la scară atomică, unde domnește mecanica cuantică, ceea ce înseamnă că porțile logice trebuie să fie construite și din atomi. O poartă nu, de exemplu, are o singură intrare și două stări, 0 și 1, dar pentru ca Poarta să funcționeze necesită ca atomii să nu interacționeze doar, ci că interacțiunea este controlată. Puterea dipolului electric al atomilor Rydberg și capacitatea noastră de a controla excitația lor îi face perfecți pentru porțile logice cuantice.,
În 2010 Saffman și colegii săi de la Wisconsin-a demonstrat capacitatea de a construi porți logice cu ajutorul a două neutru atomi de rubidiu, completând activitatea desfășurată de către o echipă condusă de Philippe Grangier la Institut d’Optique în apropiere de Paris. Versiunea cuantică a unei porți nu este poarta controlată-nu sau CNOT, în care atomii de rubidiu înșiși sunt biți cuantici – sau „qubiți” – ai informațiilor. Unul este etichetat „control”, iar celălalt”țintă”., În starea lor de bază, care prezintă diverse stări hiperfine care dețin informația cuantică, atomii nu interacționează – cei patru microni care îi separă ar putea fi la fel de bine o infinitate. Cu toate acestea, de interesant controlul atom în Rydberg de stat prin ardere o rezonanță foton la ea, care este absorbita, electronul de valență se ridică la un nivel superior de energie, extinderea ariei sale suficient pentru a permite o interacțiune cu țintă atom, „flipping” și permițând NU poarta să funcționeze., „Folosind laserul pentru a excita atomul de control, putem activa interacțiunea și putem efectua poarta logică, înainte de a readuce atomii la starea de bază”, spune Saffman.experimentele anterioare au folosit ioni pentru a crea porți CNOT, dar problema cu ionii este că, fiind încărcați, nu există o modalitate ușoară de a opri interacțiunile lor, ceea ce limitează câte pot fi combinate într-un qubit stabil. Atomii neutri Rydberg, cu toate acestea, nu se confruntă cu această problemă. Asta nu înseamnă că atomii Rydberg sunt o nouă dezvoltare – despre care se știe de la sfârșitul anilor 1800., Ceea ce a stimulat dezvoltarea de Rydberg fizica a fost apariția de laser capcane și de răcire, pentru care Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji și William Phillips a împărțit Premiul Nobel pentru Fizică în 1997. Această abilitate a fizicienilor de a ține și manipula atomii individuali folosind lumina a deschis calea pentru ca atomii Rydberg să fie folosiți în aplicații noi exotice.laserele pot fi folosite pentru a crea o „capcană dipolă optică” care poate ține și răci atomii la doar microkelvin peste zero absolut, sau chiar până la nanokelvin în unele cazuri., Prin încrucișarea laserelor, această metodă poate fi extinsă într-o rețea optică 2D sau 3D. Laserele sunt reglate la o culoare distinctă de frecvența rezonantă a atomului, pentru a evita ca atomii să absoarbă oricare dintre fotoni (ceea ce le-ar da energie să sară din capcană). În acest moment, intră în joc un fenomen cunoscut sub numele de efectul Stark, care este schimbarea nivelurilor de energie ale unui atom ca răspuns la un câmp electric de curent alternativ, ca în cel produs de o undă electromagnetică. Pentru atomii de la sol, nivelurile de energie sunt deplasate la o energie ușor mai mică., Partea cea mai intensă a fasciculelor laser, care este locul în care se intersectează în zăbrele, devine apoi o fântână potențială în care atomii devin prinși, deoarece aici experimentează cea mai mare schimbare și pierd cea mai mare energie (figura 1).odată prinși, atomii pot fi apoi excitați la starea Rydberg prin arderea unui foton de frecvență rezonantă la ei. Problema este că energia fotonului rezonant poate zdruncina atomul din capcană, și astfel căutarea a fost pornită pentru „lungimi de undă magice” care pot prinde și excita un atom în același timp., În 2015, bazându-se pe aproape un deceniu de muncă și fizicii atomice, un grup condus de fizicianul Trey Porto de la Universitatea din Maryland Comun Cuantice Institute, SUA, a găsit o magie frecvența de atomi de rubidiu care, în același timp capcane-le în diferite stări cuantice, care au principalul numere cuantice n = 5 și n = 18 (Phys. Rev. A 91 032518). Cu alte cuvinte, ele pot fi excitate într-o stare Rydberg de 18s, unde electronul excitat se află în orbitalul 18S, rămânând în capcană. Această lungime de undă magică corespunde unei lungimi de undă în infraroșu de aproximativ 1064 nm., Printr-o lovitură de noroc, aceasta este lungimea de undă produsă de un laser Nd:YAG, pe care majoritatea fizicienilor îl folosesc oricum, deoarece oferă unele dintre cele mai ieftine puteri laser disponibile. Acest lucru este deosebit de important atunci când doriți o mulțime de putere fără falimentarea Departamentul de fizica.
„într-adevăr, am fost mascați și am ales o culoare de lumină care captează atât statul Rydberg de care suntem interesați, cât și statul de bază”, spune fizicianul Elizabeth Goldschmidt, care a fost unul dintre membrii echipei Porto și acum are sediul la US Army Research Laboratory din Maryland.,deși echipa lui Porto a încântat rubidiul până la 18 ani, a fost doar un început. Pentru a ajunge la numere cuantice mai mari – ceea ce duce la interacțiuni mai puternice pe distanțe mai mari între atomi, precum și la extinderea duratei de viață petrecute în starea excitată – aveți nevoie de lungimi de undă magice mai scurte și mai scurte. Lasere care emit aceste lungimi de undă mai scurte nu sunt la fel de disponibile pe scară largă ca 1064 nm lasere și, la cele mai înalte frecvențe, ele pot deveni prohibitive. Cu toate acestea, lungimile de undă magice reprezintă un avans uriaș pentru fizicieni precum Saffman., „El prinde atomii individuali și îi face să interacționeze în gates, așa că îi pasă mai mult de găsirea lungimilor lor de undă magice”, spune Goldschmidt.până acum atât de bine, dar lungimile de undă magice și excitația Rydberg nu sunt suficiente pe cont propriu pentru a face un computer cuantic. Ceea ce lipsește este aspectul cuantic care permite unui qubit să existe în multe state simultan, spre deosebire de biții binari care pot fi doar într-una din cele două stări. În fizica Rydberg, acest aspect cuantic este furnizat prin entanglement.,
„entanglement este biți care vă oferă ceva mai mult decât puteți face cu un computer clasic”, explică Charles Adams, un fizician cu Joint Quantum Centre de la Universitatea Durham din Marea Britanie. Entanglementul este produs prin interacțiunea atomilor Rydberg cu alți atomi neexcitați în jurul lor. În esență, Saffman e NU poarta este-o incurcatura pe mașină și eficiența de porții depinde de „fidelitate” de entanglement, care este definit ca suma de succes calcule că încurcate poartă logică realizează în comparație cu numărul total de încercări.,când atomii sunt qubiți, rolul fotonului este pur și simplu de a excita atomii în stările lor Rydberg. Cu toate acestea, Adams, printre altele, a urmărit un premiu ușor diferit: un computer cuantic din lumină.într-un astfel de dispozitiv, mai degrabă decât atomii fiind qubiți, fotonii ar acționa ca qubiți în schimb. Imediat există un potențial showstopper. Fotonii, fiind particule fără masă, nu interacționează unul cu celălalt și, de obicei, nu pot crea porți logice., Expuneți-le la atomii Rydberg, însă, iar jocul se schimbă, permițând Fizicienilor să creeze stări fotonice exotice și chiar „molecule” de lumină.totul este posibil datorită naturii cliquey a atomilor Rydberg. Adunați o grămadă de atomi de rubidiu (sau stronțiu, cesiu, sodiu sau orice este atomul dvs. neutru preferat), răciți-i și trimiteți un foton. Unul dintre atomi este excitat la starea Rydberg și interacționează cu ceilalți atomi din jurul său, schimbându-și nivelul de energie., Deci, atunci când un al doilea foton identic este trimis în acest „ansamblu Rydberg”, constată că este brusc în ton cu frecvența lor rezonantă și nu îi poate excita. În esență, atomii Rydberg au pus o „blocadă” asupra creării altor atomi Rydberg dintr-un al doilea foton într-un volum de 10 µm în diametru.
pentru al doilea foton, totuși, aceasta este o veste bună., „Aceasta înseamnă că al doilea foton vede un răspuns optic diferit la mediu – în mod eficient se poate vedea un indice de refracție diferit – astfel încât comportamentul mediului la al doilea foton este foarte diferit de primul”, spune Adams. Atâta timp cât cei doi fotoni au aceeași frecvență, norul de rubidiu devine transparent față de cel de-al doilea foton, un efect numit „transparență indusă electromagnetic”., De obicei, al doilea foton ar concura înainte, dar indicele de refracție al norului de rubidiu este modificat în așa fel încât al doilea foton să rămână aproape de ansamblul Rydberg încântat de primul foton.pe măsură ce atomii excitați de primul foton revin la starea de bază după câteva microsecunde, atunci nu numai că primul foton poate continua pe drum, dar al doilea foton este, de asemenea, liber să-și formeze propriul ansamblu Rydberg, punând o blocadă pe primul foton., În acest mod, cei doi fotoni se împing și se trag reciproc prin norul de rubidiu la aproximativ 400 m/s, până când apar împreună, încurcate cuantic și aparent legate ca o moleculă.în această situație, fotonii și atomii Rydberg devin puternic cuplați, spune Mikhail Lukin de la Universitatea Harvard, SUA., El a co-creat blocada tehnica în atomi reci în 2001, împreună cu colegii lui Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac și Peter Zoller, și a fost, de asemenea, primul care a folosit blocadele pentru a crea aceste Rydberg-îmbunătățită molecule de lumină în 2012, împreună cu Vladan Vuletić de Institutul de Tehnologie din Massachusetts, SUA.
„cuplarea înseamnă că ele formează în esență o nouă cvasi-particulă numită polariton, care este o parte ușoară și o parte atomi”, explică Lukin., Jumătatea atomică a polaritonului acționează ca o frână pentru fotoni, deci cu cât excitația atomică este mai mare, cu atât viteza de propagare a fotonilor prin rubidiu este mai lentă. Lukin și Vuletić lucrează acum la repetarea experimentului cu mai mult de doi fotoni.aceste interacțiuni foton-foton sunt fundamental diferite de modul în care lumina acționează în mod normal și deschid ușa pentru utilizarea fotonilor încurcați ca circuite ale computerelor cuantice. Dar porțile logice atomice nu sunt încă în afara imaginii, spune Goldschmidt., Ea crede că porțile logice optice ale fotonilor care interacționează ar fi mai bine aplicate simulărilor cuantice decât calculului cuantic în sine.un simulator cuantic, după cum sugerează și numele, simulează mai degrabă sisteme complexe decât să le calculeze. În esență, este o versiune cuantică a unei simulări computerizate cu mai multe corpuri și ar fi concepută pentru a aborda probleme specifice., „Într-o simulare cuantică aveți interacțiuni între numeroasele corpuri ale sistemului dvs. cuantic și astfel puteți simula un alt sistem cuantic cu multe corpuri fără a încerca să implementați cod cu porți specifice”, spune Goldschmidt.
dispozitive Desktop
cercetătorii care lucrează la fizica Rydberg au un scop principal, indiferent dacă atomii Rydberg înșiși vor fi circuitele sistemelor de informații cuantice sau dacă fotonii facilitați de atomii Rydberg iau acest rol., Scopul lor este de a împinge manipularea cu fidelitate mai mare a acestor porți logice pentru a crește calitatea producției lor și pentru a oferi corecții interne de eroare. Cea mai bună cale de urmat, envisions Lukin, este un sistem hibrid, prin care atomii Rydberg și interacțiunile fotonice sunt implicate în procesarea informațiilor.
„ceea ce este interesant despre abordarea noastră este că ne permite să folosim cele mai bune din ambele lumi”, spune el. „Pentru calcul, s-ar putea să doriți să stocați qubiți folosind atomi, dar pentru a comunica între qubiții stocați, ați dori de fapt să utilizați fotoni.,Adams merge chiar mai departe, speculând modul în care computerele și simulatoarele cuantice ar putea deveni într-o zi mașini desktop, nu prin răcirea atomilor lor la temperaturi incredibil de reci, ceea ce implică aparate mari și multă putere, ci prin operarea la temperatura camerei. Adams și colegii săi de la Durham au efectuat experimente cu atomi Rydberg în vapori „fierbinți” până la 50 °C, dar problema este mișcarea browniană care rezultă în atomii calzi, energici., Deoarece fotonii sunt stocați în mediu sub formă de undă, această mișcare distruge informația de fază, ceea ce înseamnă că qubitul fotonic nu poate fi recuperat. Totuși, dacă acest lucru și alte provocări pot fi depășite, atunci Adams sugerează că ar putea fi posibil să se construiască un computer cuantic, în care fotonii stocate în bule virtuale impuse de Rydberg blocada procesul medieze o interacțiune care formează o optică poarta. „Dar suntem încă într-un fel în afara de a ști cum să facem acest tip de circuit integrat all-optical”, spune el.fizica Rydberg nu este singurul joc din oraș când vine vorba de computere cuantice., Ionii prinși, superconductorii, diamantele și Condensatele Bose–Einstein, printre altele, sunt concurenți pentru Coroana cuantică. Dar atomii Rydberg au și alte utilizări. De exemplu, alegând un ansamblu Rydberg la o frecvență rezonantă specifică – să zicem terahertz sau cuptor cu microunde – ar putea acționa ca un senzor sofisticat, producând o ieșire optică atunci când preia acele câmpuri., Interacțiunile foton-foton forțate de blocajele Rydberg ar putea duce chiar la stări exotice de lumină care sunt considerate cristaline sau lichide, unde interacțiunile țin fotonii împreună în ceva care ar putea arăta ca o sabie laser.
„fizica Rydberg a crescut în impuls în ultimul deceniu”, spune Adams. „Există grupuri aproape peste tot care fac acum un aspect în acest sens.”Este remarcabil ce ar putea realiza fizica Rydberg, având în vedere că ingredientele sunt unele dintre cele mai simple lucruri din univers: atomi și fotoni.,
- Jurnalul de Fizica B, din IOP Publishing – care publică, de asemenea, Lumea Fizica – este eliberarea în prezent o problemă focalizare pe „Rydberg fizica atomica”
- Bucurați-vă de restul aprilie 2016 problemă de Lumea Fizica în revista noastră digitală sau prin intermediul Lumea Fizica app pentru orice iOS sau Android smartphone sau tabletă. Calitatea de membru al Institutului de fizică necesară