Quantum computers of the future kan fungera via energiövergångarna av upphetsade atomer, eller till och med från rent ljus, om ett snabbt växande område av atomfysik fortsätter att mötas med framgång, skriver Keith Cooper
För fysiker som jagar den heliga Graalen av kvantberäkning blir ett gott recept alltmer utbrett., Stänk en handfull atomer-rubidium är en populär ingrediens-i en vakuumkammare. Behandla med laserstrålar för att kyla atomerna till bara fraktioner av en grad över absolut noll. Lägg sedan till ett par fotoner och hey presto – du har skapat en av de grundläggande byggstenarna i en kvantdator.
åtminstone ”det är grundidén”, säger Mark Saffman, en atomfysiker vid University of Wisconsin–Madison i USA. Centralt för allt är Rydbergatomer, som har en enda yttre valenselektron som kan exciteras till högre kvanttillstånd. De är atomvärldens stora pappor., Vanligtvis är en atomkärna Femtometer i storlek, men i en Rydbergatom kan den upphetsade valenselektronen resa mikron från kärnan medan den fortfarande är bunden till den och ballongera atomradien en miljard gånger i storlek. Med en så stor räckvidd kan en Rydbergatom interagera med andra närliggande atomer via ett kraftfullt elektriskt dipolmoment en miljon gånger bättre än ”vanliga” atomer. Det är denna interaktiva kraft-och förmågan att styra den med en enda, noggrant utvald foton – som gör Rydbergatomer en sådan potent kraft i världen av kvantinformationssystem.,
Gateway – teknik
i hjärtat av vilken dator som helst – digital eller quantum-är logiska grindar. En kvantdator arbetar i atomskala, där kvantmekanik regerar, vilket innebär att logikportarna också måste byggas ut ur atomer. En inte Grind har till exempel en enda ingång och två stater, 0 och 1, men för porten att fungera krävs det att atomerna inte bara interagerar, men att interaktionen styrs. Rydbergatomernas elektriska dipolstyrka och vår förmåga att styra deras excitation gör dem perfekta för kvantlogikportar.,
2010 visade Saffman och hans kollegor i Wisconsin förmågan att bygga logiska grindar med hjälp av två neutrala rubidiumatomer, som kompletterar arbetet som utförs av ett team ledd av Philippe Grangier vid Institut d ’ Optique nära Paris. Kvantversionen av en inte grind är den kontrollerade-inte, eller CNOT, grinden, där rubidiumatomerna själva är kvantbitarna-eller” qubits ” – av information. Den ena är märkt ”kontroll ”och den andra”mål”., I deras mark tillstånd, som sportar olika hyperfin stater som håller kvantinformationen, interagerar atomerna inte-de fyra mikron som skiljer dem kan lika gärna vara en oändlighet. Men genom att excitera kontrollatomen i Rydberg-staten genom att skjuta en resonantfoton på den som absorberas, stiger valenselektronen till en högre energinivå, vilket förlänger dess räckvidd tillräckligt för att möjliggöra en interaktion med målatomen, ”vända” den och låta CNOT-porten fungera., ”Genom att använda lasern för att excitera kontrollatomen kan vi slå på interaktionen och utföra vår logiska Grind innan vi återvänder atomerna till marktillståndet”, säger Saffman.
tidigare experiment hade använt joner för att skapa CNOT-grindar, men problemet med joner är att det inte finns något enkelt sätt att stänga av deras interaktioner, vilket begränsar hur många som kan kombineras till en stabil qubit. Neutrala Rydbergatomer står dock inte inför detta problem. Det är inte att säga att Rydbergatomer är en ny utveckling-de har varit kända sedan slutet av 1800-talet., Vad som verkligen har sporrat utvecklingen av Rydbergfysik har varit tillkomsten av laserfångst och kylning, för vilken Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji och William Phillips delade Nobelpriset för fysik 1997. Det är denna förmåga hos fysiker att hålla och manipulera enskilda atomer med hjälp av ljus som har öppnat vägen för Rydbergatomer som ska användas i exotiska nya applikationer.
Starkly skiftat
lasrar kan användas för att skapa en ”optisk dipol fälla” som kan hålla och kyla atomer till enbart mikrokelvin över absolut noll, eller till och med ner till nanokelvin i vissa fall., Genom att korsa lasrarna kan denna metod utökas till en 2D-eller 3D-optisk gitter. Lasrarna är inställda på en färg som skiljer sig från atomens resonansfrekvens, för att undvika atomer som absorberar någon av fotonerna (vilket skulle ge dem energi att hoppa ut ur fällan). Vid denna tidpunkt kommer ett fenomen som kallas Stark-effekten in i spel, vilket är skiftet i en atoms energinivåer som svar på ett elektriskt fält av växelström, som i det som produceras av en elektromagnetisk våg. För mark-Statliga atomer skiftas energinivåerna till en något lägre energi., Den mest intensiva delen av laserstrålarna, som är där de korsar i gallret, blir då en potentiell brunn där atomerna blir fångade, eftersom det är här att de upplever det största skiftet och förlorar mest energi (figur 1).
en gång fångad kan atomerna sedan exciteras till Rydberg-tillståndet genom att avfyra en foton av resonansfrekvens hos dem. Problemet är att energin i resonansfotonen kan skaka atomen ur fällan, och så har sökningen varit på för ”magiska våglängder” som både kan fälla och excitera en atom samtidigt., I 2015, som bygger på nästan ett decennium värde av arbete av atomfysiker, en grupp ledd av fysiker Trey Porto vid University of Maryland gemensamma Quantum Institute, US, hittade en magisk frekvens för rubidiumatomer som samtidigt fångar dem i två olika kvanttillstånd, som har de viktigaste kvantnummer n = 5 och n = 18 (Phys. Rev. En 91 032518). Med andra ord kan de vara glada över ett Rydberg-tillstånd på 18s, där den upphetsade elektronen är i 18S orbital, medan den är kvar i fällan. Denna magiska våglängd motsvarar en infraröd våglängd på ca 1064 nm., Med en ren tur är detta våglängden som produceras av en Nd:YAG-laser, som de flesta fysiker använder ändå eftersom det ger en del av den billigaste laserkraften som finns tillgänglig. Det är särskilt viktigt när du vill ha mycket makt utan att förstöra din fysikavdelning.
”Vi har verkligen blivit luriga och plockat en ljusfärg som fångar både Rydberg-staten som vi är intresserade av och markstaten”, säger fysikern Elizabeth Goldschmidt, som var en av Portos lagmedlemmar och är nu baserad på US Army Research Laboratory i Maryland.,
Även om Portos lag upphetsade rubidium upp till 18s, var det bara en start. För att komma till högre kvanttal-vilket resulterar i starkare interaktioner över större avstånd mellan atomer samt förlänga livslängden i det upphetsade tillståndet – behöver du kortare och kortare magiska våglängder. Lasrar som avger dessa kortare våglängder är inte lika allmänt tillgängliga som 1064 nm Lasrar och vid de högsta frekvenserna kan de bli kostnads-oöverkomliga. Ändå är de magiska våglängderna ett stort framsteg för fysiker som Saffman., ”Han fångar enskilda atomer och får dem att interagera i gates, så han bryr sig mer om att hitta sina magiska våglängder”, säger Goldschmidt.
hittills så bra, men magiska våglängder och Rydberg excitation räcker inte på egen hand för att göra en kvantdator. Vad som saknas är kvantaspekten som tillåter en qubit att existera i många stater samtidigt, i motsats till binära bitar som bara kan vara i ett av två stater. I Rydbergfysik tillhandahålls denna kvantaspekt genom entanglement.,
”sammanflätningen är den bit som ger dig något mer än du kan göra med en klassisk dator”, förklarar Charles Adams, en fysiker med Joint Quantum Centre vid Durham University i Storbritannien. Sammanflätningen produceras av interaktionen mellan Rydbergatomerna och andra oexciterade atomer runt dem. I huvudsak är SAFFMANS CNOT-Grind en entanglement-maskin och portens effektivitet beror på ”trohet” av sammanflätningen, som definieras som mängden framgångsrika beräkningar som den intrasslade logiska porten uppnår jämfört med det totala antalet försök.,
kör blockaden
när atomerna är kvuttarna är fotonens Roll helt enkelt att excitera atomerna i deras Rydberg-tillstånd. Adams har dock bland annat jagat ett något annorlunda pris: en kvantdator av ljus.
i en sådan enhet, snarare än atomer som kvuttarna, skulle fotonerna fungera som kvuttarna istället. Omedelbart finns det en potentiell showstopper. Fotoner, som är masslösa partiklar, interagerar inte med varandra och kan därför normalt inte skapa logiska grindar., Exponera dem för Rydbergatomer, men spelet förändras, så att fysiker kan skapa exotiska fotoniska tillstånd och till och med” molekyler ” av ljus.
det är allt möjligt tack vare Rydbergatomernas cliquey-natur. Samla en nära massa rubidiumatomer (eller strontium, cesium, natrium eller vad din favorit neutrala atom är), kyla ner dem och skicka in en foton. En av atomerna är upphetsad till Rydberg-staten och interagerar med de andra atomerna runt den och skiftar sina energinivåer., Så när en sekund, identisk, photon skickas in i denna ”Rydberg ensemble”, den finner att det är plötsligt ur samklang med deras resonansfrekvens och kan inte väcka dem. I huvudsak Rydbergatomerna sätta en ”blockad” på skapandet av andra Rydbergatomer från en andra foton inom en volym kanske 10 µm i diameter.
för den andra fotonen är det dock goda nyheter., ”Det betyder att den andra fotonen ser ett annat optiskt svar på mediet – effektivt kan det se ett annat brytningsindex – så mediets beteende till den andra fotonen är väldigt annorlunda än det första”, säger Adams. Så länge de två fotonerna är av samma frekvens blir rubidiummolnet transparent för den andra fotonen, en effekt som kallas ”elektromagnetiskt inducerad transparens”., Vanligtvis skulle den andra fotonen tävla framåt, men rubidium clouds brytningsindex ändras på ett sådant sätt att den andra fotonen stannar nära Rydberg-ensemblet upphetsad av den första fotonen.
när atomerna exciteras av den första fotonen återvänder till marktillståndet efter några mikrosekunder, kan inte bara den första fotonen fortsätta på väg, men den andra fotonen är också fri att bilda sitt eget Rydberg-ensemble och sätta en blockad på den första fotonen., På detta sätt trycker de två fotonerna och drar varandra genom rubidiummolnet på cirka 400 m/s tills de dyker upp tillsammans, kvant intrasslad och till synes bunden som en molekyl.
i denna situation blir fotonerna och Rydbergatomerna starkt kopplade, säger Mikhail Lukin från Harvard University, USA., Han medskapare till den blockad teknik i kalla atomer i 2001 tillsammans med sina kollegor Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac och Peter Zoller, och var också den första att använda blockader för att skapa dessa Rydberg-förbättrad molekyler av ljus i 2012 tillsammans med Vladan Vuletić av Massachusetts Institute of Technology, USA.
”kopplingen innebär att de i huvudsak bildar en ny kvasi-partikel som kallas en polariton, som är del ljus och del atomer”, förklarar Lukin., Den atomära halvan av polaritonen fungerar som en broms för fotonerna, så ju större atomär excitation desto långsammare utbredningshastigheten för fotonerna genom rubidiet. Lukin och Vuletić arbetar nu på att upprepa experimentet med mer än två fotoner.
dessa fotonfoton interaktioner skiljer sig fundamentalt från hur ljus fungerar normalt och de öppnar dörren för att använda intrasslade fotoner som kretsar av kvantdatorer. Men atomic logic gates är inte ur bilden ännu, säger Goldschmidt., Hon tror att de optiska logiska portarna till de interagerande fotonerna skulle tillämpas bättre på kvantsimuleringar snarare än kvantberäkning i sig.
en kvantsimulator simulerar, som namnet antyder, komplexa system snarare än beräknar dem. I huvudsak är det en kvantversion av en datoriserad många kroppssimulering och skulle vara utformad för att ta itu med specifika problem., ”I en kvantsimulering har du interaktioner mellan de många kropparna i ditt kvantsystem och du kan därmed simulera något annat kvantsystem utan att försöka implementera kod med specifika grindar”, säger Goldschmidt.
stationära enheter
forskare som arbetar med Rydbergfysik har ett huvudsyfte, oavsett om Rydbergatomerna själva kommer att vara kretsarna i kvantinformationssystem eller om fotoner som underlättas av Rydbergatomer tar den rollen., Deras mål är att driva för högre trohet manipulation av dessa logiska grindar för att öka kvaliteten på deras produktion och ge interna felkorrigeringar. Den bästa vägen framåt, föreställer Lukin, är ett hybridsystem, där Rydbergatomer och fotoninteraktioner båda är involverade i informationsbehandlingen.
”det som är intressant med vårt tillvägagångssätt är att det gör det möjligt för oss att utnyttja det bästa av båda världarna”, säger han. ”För databehandling kanske du vill lagra qubits med atomer, men för att kommunicera mellan de lagrade qubits, vill du faktiskt använda fotoner.,”
Adams går ännu längre och spekulerar hur kvantdatorer och simulatorer en dag kan bli stationära maskiner, inte genom att kyla sina atomer till otroligt frigid temperaturer, vilket innebär stor apparat och mycket kraft, men genom att arbeta vid rumstemperatur. Adams och hans kollegor på Durham har utfört experiment med Rydbergatomer i ”heta” ångor upp till 50 ° C, men problemet är den bruna rörelsen som följer i de varma, energiska atomerna., Eftersom fotoner lagras i mediet som en våg förstör denna rörelse fasinformationen, vilket innebär att den fotoniska qubiten inte kan hämtas. Ändå, om detta och andra utmaningar kan övervinnas, föreslår Adams att det kan vara möjligt att bygga en kvantdator där fotoner som lagras i virtuella bubblor som införs av Rydberg-blockadprocessen förmedlar en interaktion som bildar en optisk Grind. ”Men vi är fortfarande några sätt att veta hur man gör den här typen av integrerad alloptisk krets”, säger han.
Rydberg physics är inte det enda spelet i stan när det gäller kvantdatorer., Fångade joner, supraledare, diamanter och Bose–Einstein kondensat bland annat är konkurrenter till quantum crown. Men Rydbergatomer har andra användningsområden också. Till exempel, genom att välja ett Rydberg – ensemble vid en specifik resonansfrekvens – säg terahertz eller mikrovågsugn-kan det fungera som en sofistikerad sensor som producerar en optisk utgång när den plockar upp dessa fält., Fotonfoton interaktioner tvingas av Rydberg blockader kan även leda till exotiska tillstånd av ljus som anses kristallin eller vätska, där interaktionerna håller fotonerna tillsammans i något som kan se ut som en lightsaber.
”Rydberg physics har vuxit i fart under det senaste decenniet”, säger Adams. ”Det finns grupper nästan överallt nu gör någon aspekt av detta.”Det är anmärkningsvärt vad Rydberg fysik kan åstadkomma, med tanke på ingredienserna är några av de enklaste sakerna i universum: atomer och fotoner.,
- Journal of Physics B, från IOP Publishing – som också publicerar Physics World – släpper för närvarande ett fokusproblem på ”Rydberg atomic physics”
- Njut av resten av April 2016-numret av Physics World i vår digitala tidning eller via Physics World-appen för alla iOS-eller Android-smartphones eller surfplattor. Medlemskap i Institutet för fysik krävs