Cientistas de Novosibirsk conseguiram capturar e fotografar um único átomo

Grupo científico do Institute of Semiconductor Physics. UMA. DENTRO. A Universidade Estadual Rzhanov SB RAS Novosibirsk e a Universidade Técnica conseguiram não apenas fixar um átomo de rubídio individual nas chamadas pinças ópticas.

Mas também "capture" um átomo na armadilha criada usando uma câmera de vídeo com lentes de foco longo.

Por que essa pesquisa é necessária

Essa conquista é muito importante no sentido de que átomos individuais podem atuar como qubits - as células principais para registrar e transmitir fluxos de informações em computadores quânticos.

Portanto, fixar um átomo em uma pinça óptica (outro nome para uma armadilha dipolo) é um dos elementos mais importantes na formação de uma matriz de qubits e posterior implementação de transformações quânticas.

É bastante lógico que o array conterá um grande número de átomos mantidos dessa forma, o que significa que é necessário não apenas conter, mas também registrar corretamente os átomos.

Como você conseguiu fotografar um átomo

Portanto, os cientistas enfrentaram uma tarefa muito difícil. Afinal, era necessário inicialmente resfriar os átomos (dessa forma resfriada, os estados eletrônicos podem persistem por até alguns segundos, o que é mais do que suficiente para computadores quânticos) e, portanto, "desacelere" eles.

E também um átomo separado ainda deve ser fixado em uma armadilha, que nada mais é do que um feixe de laser especial com foco de vários mícrons.

E o mais difícil ainda era capturar o átomo. Afinal, é necessário verificar o registro dos fótons infravermelhos espalhados por um átomo no menor tempo possível. E de acordo com as condições experimentais, a fixação dos átomos deve ocorrer no menor tempo possível. Somente neste caso será possível utilizá-los como qubits.

Os colegas ocidentais usam câmeras EMCCD de alto desempenho - câmeras multiplicadoras de elétrons - para fixação. Mas desde 2015 eles não são fornecidos para a Rússia, e seu preço é de cerca de 5 milhões de rublos.

Nossos especialistas usaram câmeras analógicas muito mais baratas das sCMOS da geração anterior e alcançaram resultados surpreendentes, a saber:

Descobriu-se que consertava o átomo com o tempo mínimo de exposição possível - 50 milissegundos. Este tempo é comparável ao trabalho de colegas estrangeiros que usam câmeras ultramodernas e caras.

Qual foi o principal problema, como foi resolvido

Como um dos autores do estudo, I. Beterov, o principal problema era que um único átomo emite um brilho extremamente fraco e, portanto, toda a focalização era realizada em um pixel da matriz da câmera de vídeo.

No decorrer de vários experimentos, foi possível descobrir que, se você apenas tentar registrar um átomo, dificilmente será distinguível contra o ruído de fundo. Para contornar este problema, foi decidido desligar a armadilha dipolo por um curto período de tempo (por 0,000001 s).

Em tão pouco tempo, o átomo simplesmente não teve tempo de sair da armadilha.

O ciclo liga-desliga foi repetido na ordem de vários milhares de vezes, acumulando assim o sinal durante o período desligado do laser dipolo.

Este é o primeiro trabalho no mundo quando o uso combinado de uma lente de foco longo e uma câmera de vídeo sCMOS foi realizado com sucesso, e o resultado será do interesse de cientistas de todo o mundo.

Os cientistas publicaram os resultados de suas pesquisas nas páginas da revista. "Quantum Electronics".

Os físicos de Novosibirsk planejam aprender como controlar as operações de um qubit com maior precisão e, assim, abordar suavemente as operações de dois qubit. Assim, proceda à "preparação" dos elementos lógicos do computador quântico.

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