Wissenschaftler aus Nowosibirsk haben es geschafft, ein einzelnes Atom einzufangen und zu fotografieren

Wissenschaftliche Gruppe vom Institut für Halbleiterphysik. EIN. IM. Der Rzhanov SB RAS Novosibirsk State University und der Technical University gelang es nicht nur, ein separates Rubidiumatom in der sogenannten optischen Pinzette zu fixieren.

Sie können aber auch ein Atom in der erstellten Falle mit einer Videokamera mit einem Objektiv mit langem Fokus "fangen".

Warum solche Forschung benötigt wird

Diese Leistung ist sehr wichtig in dem Sinne, dass einzelne Atome als Qubits fungieren können - die Hauptzellen für die Aufzeichnung und Übertragung von Informationsflüssen in Quantencomputern.

Die Fixierung eines Atoms in einer optischen Pinzette (ein anderer Name für eine Dipolfalle) ist eines der wichtigsten Elemente bei der Bildung einer Reihe von Qubits und der weiteren Implementierung von Quantentransformationen.

Es ist ziemlich logisch, dass das Array eine große Anzahl von Atomen enthält, die auf diese Weise gehalten werden, was bedeutet, dass es notwendig ist, die Atome nicht nur zu halten, sondern auch korrekt zu registrieren.

Wie haben Sie es geschafft, ein Atom zu fotografieren?

Die Wissenschaftler standen also vor einer sehr schwierigen Aufgabe. Schließlich war es notwendig, die Atome zunächst abzukühlen (in einer so abgekühlten Form können die elektronischen Zustände bestehen bis zu ein paar Sekunden, was für Quantencomputer mehr als ausreichend ist) und somit "verlangsamen" sie.

Außerdem muss noch ein separates Atom in einer Falle fixiert werden, die nichts weiter als ein spezieller Laserstrahl mit einer Fokussierung von mehreren Mikrometern ist.

Und das Schwierigste war immer noch, das Atom einzufangen. Schließlich ist es notwendig, die Registrierung von Infrarotphotonen, die von einem Atom gestreut werden, in kürzester Zeit zu überprüfen. Und gemäß den experimentellen Bedingungen sollte die Fixierung der Atome in kürzester Zeit erfolgen. Nur in diesem Fall können sie als Qubits verwendet werden.

Westliche Kollegen verwenden Hochleistungs-EMCCD-Kameras - Elektronenvervielfacherkameras - zur Fixierung. Aber seit 2015 wurden sie nicht mehr nach Russland geliefert und ihr Preis beträgt ungefähr 5 Millionen Rubel.

Unsere Spezialisten verwendeten ein viel billigeres Analogon der sCMOS-Kameras der vorherigen Generation und erzielten erstaunliche Ergebnisse, nämlich:

Es stellte sich heraus, dass das Atom mit der minimal möglichen Belichtungszeit - 50 Millisekunden - fixiert wurde. Diese Zeit ist vergleichbar mit der Arbeit ausländischer Kollegen, die hochmoderne und teure Kameras verwenden.

Was war das Hauptproblem, wie wurde es gelöst

Als einer der Autoren der Studie hat I. Beterov, das Hauptproblem war, dass ein einzelnes Atom ein extrem schwaches Leuchten aussendet und daher die gesamte Fokussierung auf ein Pixel der Videokameramatrix durchgeführt wurde.

In zahlreichen Experimenten konnte festgestellt werden, dass ein Atom, wenn man nur versucht, es zu registrieren, vor dem Hintergrund des Rauschens kaum zu unterscheiden ist. Um dieses Problem zu umgehen, wurde beschlossen, die Dipolfalle für kurze Zeit (um 0,000001 s) auszuschalten.

In so kurzer Zeit hatte das Atom einfach keine Zeit, die Falle zu verlassen.

Der Ein-Aus-Zyklus wurde in der Größenordnung von mehreren tausend Mal wiederholt, wodurch das Signal während der Ausschaltperiode des Dipollasers akkumuliert wurde.

Dies ist die erste Arbeit der Welt, bei der die kombinierte Verwendung eines Langfokusobjektivs und einer sCMOS-Videokamera erfolgreich durchgeführt wurde. Das Ergebnis wird für Wissenschaftler auf der ganzen Welt von Interesse sein.

Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse ihrer Forschung auf den Seiten der Zeitschrift "Quantenelektronik".

Die Physiker in Nowosibirsk wollen lernen, wie man Ein-Qubit-Operationen mit erhöhter Genauigkeit steuert und sich so reibungslos Zwei-Qubit-Operationen nähert. Fahren Sie also mit der "Vorbereitung" der logischen Elemente des Quantencomputers fort.

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