Современные достижения атомной и лазерной физики позволяют использовать отдельные атомы для создания сверхточных часов и квантовых компьютеров. Однако такие системы пока еще очень сложные, дорогие и существуют лишь в стенах лабораторий. Российские ученые предложили новый способ, позволяющий существенно упростить процесс манипуляций с заряженными атомами и приблизить тот день, когда квантовые устройства превратятся из лабораторных прототипов в коммерчески доступные приборы. Со статьей можно ознакомиться в журнале Applied Physics Letters. Проект поддержан грантом Российского научного фонда.

Все предметы, которые нас окружают, состоят из огромного количества мельчайших частиц – атомов. Их поведение определяется законами квантовой механики, однако их квантовые свойства наиболее ярко проявляются только если изолировать один или несколько атомов от всех других. Современные технологии позволяют захватывать и удерживать атомы лазерным лучом или специальным радиочастотным полем внутри вакуумных камер. Вне камер, когда частиц много, квантовые свойства теряются и атомы подчиняются законам классической механики.

Еще в прошлом веке ученые предложили множество способов, как использовать отдельные атомы в практических целях. Квантовый компьютер в перспективе способен за секунды решать задачи, на которые даже суперкомпьютеры должны потратить тысячи лет. Такие высокие вычислительные способности обеспечиваются неопределенной природой его составляющих. В обычном компьютере вся информация представлена в виде набора нулей и единиц – битов. Квантовые биты, или кубиты, несут в себе информацию о всей совокупности состояний между нулем и единицей. Если представить нулевой бит как белый шарик, а единицу – как черный, то кубит будет шариком с градиентом от белого до черного через все оттенки серого. Таким образом, квантовые вычислители обрабатывают одновременно гигантский пул информации. Вместо подстановки в каждый бит единиц или нулей и перебора всех возможных состояний в квантовом компьютере сразу получаются все варианты. Решение задачи можно сравнить с поисками клада, когда, вместо копания лопатой в нескольких местах, огромный экскаватор выгребает сразу целый котлован.

Другой пример использования квантовых свойств атомов – это атомные часы. В обычных механических часах время отсчитывается при помощи маятника, который качается из стороны в сторону каждую секунду. Если по каким-то причинам маятник начинает качаться быстрее или медленнее часы начинают спешить или опаздывать. В атомных же часах роль маятника выполняет электрон, вращающийся вокруг ядра. Так как скорость вращения электрона определяется лишь фундаментальными законами микромира, то точность таких часов намного превышает их механические аналоги.

Наиболее впечатляющим применением сверхточных часов являются спутниковые системы навигации, такие как GPS и ГЛОНАСС. Для определения расстояния между объектами необходимо засечь время, за которое свет его преодолевает. Так как скорость света составляет 300 000 км/с, ошибка даже на сотую долю секунды приведет к ошибке в расстоянии на 3 000 километров. Сегодня в кармане практически каждого человека есть телефон со спутниковым навигационным модулем, который обеспечивает точность геолокации порядка 10 метров. Это стало возможным благодаря тому, что на каждом из спутников установлены настолько совершенные атомные часы, что ошибка всего в одну секунду накопится в них лишь через 80 000 лет.

Изолированные частицы, служащие основой всех квантовых устройств, можно получать при помощи лазерной или радиочастотной ловушки. Для этого требуется доставить атом требуемого вещества в зону захвата и оторвать от него электрон. Как только атом теряет электрон, он тут же оказывается захвачен ловушкой. Обычно отрыв осуществляется бомбардировкой атома пучком электронов или световых частиц, разогнанных до больших скоростей. Они словно пушечные ядра ударяют по атому, выбивая из него один или несколько его собственных электронов. Для этого нужна так называемая электронная пушка, ухудшающая степень вакуума в системе, или сложная и дорогостоящая система лазеров.

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева предложили способ обойтись без обеих систем. Они нанесли на поверхность ловушки специальное покрытие из магния и иттрия, которое эффективно испускает электроны под действием синего или ультрафиолетового света. Эти электроны ускоряются самой ловушкой и обеспечивают бомбардировку атомов. В такой системе для загрузки ионов в ловушку достаточно всего лишь облучить покрытие ультрафиолетовым светодиодом, который может быть куплен в любом радиотехническом магазине.

«Мы обнаружили простой метод загрузки одиночных ионов в ловушки с помощью облучения поверхности коммерчески доступными диодами и определили спектр света, эффективно высвобождающего электроны. Наш способ существенно удешевляет и упрощает ионные квантовые установки, а, значит, приближает момент, когда они покинут стены лабораторий и станут широко использоваться в повседневной жизни. В дальнейшем мы планируем работать над увеличением эффективности загрузки за счет совершенствования строения ловушки» – подводит итог Илья Заливако, младший научный сотрудник Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук.

Картинка 1. Схема ионной ловушки. Источник: Илья Заливако.

Картинка 2. Фотография научного коллектива. Источник: Илья Заливако.