Ридберговские атомы: всё ближе к квантовому компьютеру

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 15 июля 2010 года

Учёные нашли новый способ управления квантовыми состояниями твёрдых частиц, и он может изменить общепринятый подход к квантовым вычислениям. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Nature группой физиков из Великобритании (Лондонский центр нанотехнологий) и Нидерландов (Институт физики плазмы Фонда фундаментальных исследований материи).

В ходе экспериментов с легированным кремнием обнаружилось, что существует возможность управлять атомами твёрдых тел, облучая их волнами с частотой один терагерц, в результате чего атомы начинают колебаться между разными состояниями так же, как это происходит в атомах водорода. Несмотря на то, что для опытов применялось нестандартное оборудование, учёные надеются, что этот новый уровень управления когерентностью позволит по-иному создавать запутанность квантовых состояний и более точно манипулировать квантовой информацией, содержащейся в возбуждённых атомах.

Новая методика была открыта в процессе квантовых манипуляций с различными частицами при помощи лазера - речь идёт о захвате фотонов, запутывании их и пересылке на большие расстояния и даже о проведении простых квантовых вычислений. Однако получаемые при этом квантовые состояния часто нестабильны и ими сложно управлять, что приводит к ошибкам при переносе информации и вычислениях.

Для решения проблемы было решено использовать хорошо известное квантовое состояние - Ридберговское состояние атомов твёрдых тел. Это состояние описывается той же формулой, что объясняет свойства свободных атомов водорода - чтобы распространить её действие на более крупные атомы, можно воспользоваться одной лазейкой.

У Ридберговских атомов есть любопытное свойство: в основном состоянии они слишком малы, чтобы взаимодействовать друг с другом. Такие атомы могут быть запутаны для использования в квантовых вычислениях, только находясь в возбуждённом состоянии, а их основные состояния остаются независимыми. Отсюда возникла идея нового способа передачи квантовой информации.

Атомы включений в некоторый материал могут принимать Ридберговское состояние в том случае, если у них ровно на один валентный электрон больше, чем в атомах материала-носителя. Поэтому для этого отлично подходит кремний, легированный фосфором. В ходе эксперимента было решено использовать облучение фосфорных включений в терагерцевом диапазоне, чтобы с помощью лёгких колебаний переключать близко расположенные Ридберговские атомы между двумя состояниями.

Чтобы доказать, что в результате эксперимента был действительно получен контроль над фосфором на квантовом уровне, нужно зафиксировать два типа активности в атомах. Первый - так называемые осцилляции или биения Раби - частота волны, показывающая, что атом под влиянием излучения лазера колеблется между основным и возбуждённым состояниями. Если выбрана правильная частота, она сможет вызвать суперпозицию и возбужденную волновую функцию с чётким и хорошо распознаваемым волновым пакетом.

Во-вторых, требовалось обнаружить фотонное эхо. Это явление возникает при воздействии на частицы при помощи лазера. После первого импульса частицы переходят в когерентное возбуждённое состояние и со временем возникает расфазировка колебаний. Второй импульс приводит к фазировке и вызывает выплеск энергии частиц, который и называется фотонным эхо-импульсом.

В этом импульсе, как в "чёрном ящике" самолёта, описываются внешние воздействия на атом, и его изучение позволяет с точностью определить, сколько времени требуется на расфазировку волновых функций атомов, насколько сильны колебания и, в конечном счёте, как долго их можно использовать для хранения или передачи квантовой информации.

Для проведения эксперимента была задействована лазерная установка FELIX (Free Electron Laser for Infrared Experiments), расположенная в городе Ньювегейне в Нидерландах. Исследователям удалось создать лазерные импульсы, способные быстро и точно управлять атомами фосфора. При работе на терагерцевой частоте были экспериментально получены и биения Раби, и фотонное эхо, доказывающие эффективность опыта.

Анализ генерируемого атомами фотонного эха показал, что на расфазировку требуется 160 пикосекунд, при этом электроны в атомах фосфора колеблются между состояниями каждые 100 фемтосекунд. Это означает, что если атом переносит какую-либо информацию, у пользователя теоретически будет свыше тысячи возможностей её считать до того, как волновая функция исказит данные до неузнаваемости.

Опыт продемонстрировал потенциальные возможности лазера не только для передачи информации между компьютерами но и для обработки этой информации внутри вычислительной системы. В данном случае для приведения электрона атомов фосфора в кремнии в состоянии суперпозиции (то есть одновременно в два квантовых состояния) был использован сверхинфракрасный лазер, выдающий очень короткие импульсы высокой интенсивности. Затем было доказано, что можно управлять этим состоянием, добиваясь выброса световой энергии (фотонного эха) в чётко определённое время.

Значение разработки этого метода управления квантовыми состояниями для будущего квантовых вычислений можно коротко описать так. В сущности, учёные из Великобритании и Нидерландов создали простую модель кота Шрёдингера, который одновременно и жив, и мёртв, при помощи дешёвого материала, широко использующегося в производстве компьютерных микросхем. Иными словами, мы ещё на один шаг приблизились к созданию квантового компьютера.

Движение электронов в кремнии. Электрон вращается на орбите атома фосфора, встроенного в кремниевую решётку, показанную серебристым цветом. Положение электрона в обычном состоянии показано жёлтым. Импульс лазера может изменить его состояние так, как показано зелёным. Первый импульс слева помещает электрон в состояние суперпозиции (два одновременных квантовых состояния), которое можно контролировать вторым импульсом слева. В результате мы получаем правый импульс - фотонное эхо, - который мы можем проанализировать, и получить информацию о суперпозиции).