Фізики з Принстонського університету використали властивість атомів реагувати на різні частоти лазерного світла та змогли одночасно контролювати шість дефектів іонів ербію у кристалі. Цей оптичний метод дасть змогу реалізовувати масштабовані квантові мережі. Також вченим вдалося спостерігати спінову взаємодію квантів на відстані, меншій за дифракційну межу, що було раніше недоступним для оптичних приладів, повідомляється у дослідженні, опублікованому у журналі Science.
Що зробили фізики?
Вчені створили новий метод контролю та вимірювання взаємодії атомів, які знаходяться так близько один до одного, що їх неможливо розрізнити за допомогою існуючих оптичних лінз - цьому заважає так звана дифракційна межа. Це явище можна порівняти з зірками на небі: на певній відстані дві зірки для спостерігача стануть єдиною крапкою. Однак вплив у масштабах саме такої близької взаємодії дає змогу використовувати явище квантової заплутаності - взаємозалежність квантових станів, зокрема спіну, двох та більше об’єктів.
Заплутані частинки поводяться так, як ніби вони існують в одному місці, незалежно від того, наскільки далеко один від одного вони будуть згодом - за наявності зв'язку між двома частинками, вплинувши на одну, можна визначити стан іншої. І саме цей ефект є основою всіх майбутніх квантових технологій. Американським фізикам вдалося паралельно за один раз виміряти кілька спінових станів та когерентно, тобто лазером, маніпулювати ними у масштабах, менших за дифракційну межу. Цей експеримент відкриває дорогу до створення масштабних квантових мереж, заснованих на іонах у твердотілих системах - кристалах, а головною його особливістю є можливість масштабувати систему та “смикати” сотні атомів одночасно.
Як працює їхня система?
У своєму експерименті вчені досліджували кристал з локалізованими та контрольованими дефектами - домішками ербію. Не так давно було виявлено, що рідкісноземельні метали в кристалі володіють достатньою когерентністю і, теоретично, можуть бути пов'язані з оптичним резонатором. Це дещо схоже на транзистори, які включаються та вимикаються, породжуючи нулі і одиниці в комп’ютері, де схожим чином реагують іони ербію на певним чином поляризоване світло. Так вченим вдалося одночасно впливати на шість іонів ербію.
Фізики збуджують близько розташовані іони ербію в кристалі за допомогою точно налаштованого лазера нанометрового масштабу та послуговуються тим, що кожен іон реагує на різні частоти (кольори) лазерного світла. Це дозволяє їм контролювати одразу кілька атомів та масштабувати цей підхід для десятків чи сотень дефектів, що дасть змогу розподіляти квантову заплутаність на великі відстані оптичними квантовими мережами.
Чому вони використали ербій?
Твердотілі джерела заплутаності, пов'язані з оптичними резонаторами, є перспективними кандидатами для реалізації масштабованих квантових мереж: фізики вже досліджували можливість використання квантових точок та дефектів алмазів, ітербію або карбіду кремнію. Але принстонські вчені вирішили звернути увагу на ербій, для якого у 2018 році розробили спосіб посилення випромінюваного його іонами світла. Його спектр поглинання лежить у видимому, ультрафіолетовому та ближньому інфрачервоному діапазонах, що дає змогу працювати і з кремнієвими пристроями, і з оптичними волокнами. Також дослідники стверджують, що немає різниці, який матеріал легувати ербієм - він виявлятиме свої властивості незалежно від нього.