Физика

Исследователи создали трехмерные решетки из захваченных атомов для возможных задач квантовых вычислений, но стандартная технология не позволяет контролировать расстояние между атомами. Теперь команда создала новый тип трехмерной решетки, объединив оптический пинцет — точки сфокусированного света, улавливающие атомы, — с оптическим явлением, известным как эффект Тальбота [1]. Трехмерная решетка пинцета команды имеет места для 10 000 атомов, но с некоторыми простыми модификациями система может достичь 100 000 атомов. Такое большое расположение атомов может в конечном итоге послужить платформой для квантового компьютера с коррекцией ошибок.

3D-оптические решетки существуют уже несколько десятилетий. Стандартный метод их создания включает в себя пересечение шести лазерных лучей для создания трехмерной интерференционной картины, которая захватывает атомы в пятнах с высокой или низкой интенсивностью (см. «Краткий обзор: точное определение кубитов в трехмерной решетке»). Эти системы холодных атомов использовались в качестве точных часов и моделей систем конденсированного состояния. Однако расстояние между атомами определяется длиной волны света, что может ограничить возможности исследователей по контролю над поведением атомов.

Оптические пинцеты предлагают альтернативный метод захвата и контроля атомов. Чтобы сформировать массив пинцета, исследователи пропускают одиночный лазерный луч через массив микролинз (или подобное устройство), который фокусирует луч в двумерный узор из нескольких ярких пятен. Атомы автоматически притягиваются к центрам этих пятен, образуя массив в одной плоскости (см. «Точка зрения: щелочные атомы, удерживаемые оптическим пинцетом»). «Мы переносим эти массивы пинцетов в третье измерение», — говорит Мальте Шлоссер из Технического университета Дармштадта, Германия.

Чтобы получить трехмерную решетку, Шлоссер и его коллеги воспользовались эффектом Тальбота — явлением интерференции, возникающим, когда свет попадает на периодическую структуру, такую ​​как дифракционная решетка или массив микролинз. Свет, выходящий из структуры, создает двумерную интерференционную картину ярких пятен на некотором фиксированном расстоянии за пределами структуры, а также создает дополнительные плоскости пятен, параллельные первой. Эффект Тальбота долгое время считался помехой для исследований с помощью пинцета, поскольку он создает «лишние» яркие пятна, которые улавливают случайные атомы, что мешает измерениям. Исследователи превратили эту «ошибку в особенность», намеренно настроив свою оптическую систему так, чтобы она захватывала атомы в очень ярких пятнах, объясняет Шлоссер.

Исследователи направили лазер мощностью 800 милливатт на матрицу микролинз, которая создала двумерную квадратную решетку из 777 атомных ловушек в фокальной плоскости линзы. Но благодаря эффекту Тальбота этот двумерный массив был воспроизведен в 17 параллельных плоскостях, что дало в общей сложности 10 000 атомных ловушек. «Эти самолеты Talbot поставляются бесплатно, поэтому нам не нужно использовать дополнительную мощность лазера или дополнительные лазерные лучи», — говорит Шлоссер.

В качестве демонстрации своей системы Шлоссер и его коллеги показали, что они могут загрузить около 50% ловушек атомами рубидия и вызвать оптический переход во всех атомах подрешетки. В будущем команда планирует использовать сфокусированный лазерный луч для избирательного возбуждения одного атома. Такой оптический контроль может позволить исследователям «читать» состояние атома или переводить его в так называемое ридберговское состояние, которое позволит ему взаимодействовать со своими соседями. Управление взаимодействием атом-атом ранее было продемонстрировано на массивах двумерных пинцетов. Шлоссер предвидит наличие межатомных взаимодействий в трехмерной решетке, но в настоящее время расстояние между плоскостями слишком велико (около 100 мкм); потребуется расстояние 10 мкм или меньше.

Помимо уменьшения расстояния между решетками, команда планирует изучить другую геометрию ловушек, например, шестиугольные узоры, которые могли бы имитировать такие материалы, как графен. Исследователи также работают над увеличением мощности лазера. Больше света увеличит количество ловушек в решетке. По их оценкам, увеличение мощности в два раза обеспечит 30 000 ловушек, а увеличение в четыре раза должно дать около 100 000.