Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Лаборатория Беркли) и Калифорнийского университета в Беркли, предлагает использовать атомную структуру, подобную аккордеону, или «решетчатую» структуру, созданную с помощью лазерного света, для регулярного захвата атомов в распределенные наноразмерные карманы. Такая световая структура, которая имеет узорчатые элементы, которые в некотором роде напоминают структуру кристалла, по сути, является «идеальной» структурой — без типичных дефектов, обнаруживаемых в природных материалах.Исследователи полагают, что они могут точно определить местонахождение так называемого «зондирующего» атома в этом кристалле света и активно настроить его поведение с помощью другого типа лазерного света (ближнего инфракрасного света), чтобы атом откашлял часть своей энергии на спрос в виде частицы света или фотона.Этот фотон, в свою очередь, может быть поглощен другим зондирующим атомом (в том же или другом узле решетки) в простой форме обмена информацией — как произносимые слова, перемещающиеся между двумя соединенными струнами жестяными банками.
«Наше предложение очень важно», — сказал Сян Чжан, директор отдела материаловедения лаборатории Беркли, руководивший исследовательской работой, опубликованной в апреле в Physical Review Letters. «Мы знаем, что усиление и сверхбыстрый контроль однофотонной эмиссии лежит в основе квантовых технологий, в частности квантовой обработки информации, и именно этого мы достигли здесь. Предыдущие предложения могут делать одно или другое, но не оба одновременно . "Чжан также является профессором Калифорнийского университета в Беркли, директором Центра масштабируемого и интегрированного нанопроизводства при Национальном научном фонде и членом Энергетического нанонаучного института Кавли в лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли.Панкадж К. Джа, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли, который является ведущим автором статьи и работает в группе Чжана, сказал: «Теперь у нас есть контроль над скоростью испускания фотона, поэтому мы можем оптически обрабатывать информацию намного быстрее, и эффективно переносить его из одной точки в другую ». В эту работу внесли свой вклад и другие ученые, в том числе Майкл Мреджен, Чонмин Ким, Чихуэй Ву, Юань Ван и Юрий Ростовцев.Эта способность высвобождать фотон с высокой скоростью и передавать его с небольшими потерями от одного атома к другому является жизненно важным шагом в обработке информации для квантовых вычислений, которые могут использовать массив этих контролируемых высвобождений фотонов для выполнения сложных вычислений на больших расстояниях. быстрее, чем это возможно на современных компьютерах.
Квантовый компьютер, который техническая индустрия и научное сообщество активно преследуют из-за его способности выполнять более сложные вычисления, чем это возможно при использовании современных суперкомпьютеров, может подключиться к причудливой квантовой сфере, в которой обычные правила физики неприменимы.В то время как современные компьютеры могут хранить информацию в виде двоичных битов — единиц или нулей, — квантовый компьютер может использовать «кубиты», в которых отдельный бит информации может одновременно существовать в нескольких состояниях. Эти кубиты могут принимать форму атомов, фотонов, электронов или даже как отдельное фундаментальное свойство частицы и экспоненциально увеличивают количество вычислений, которые компьютер может выполнить за мгновение.
По словам Джа, неоднородное распределение ультрахолодных атомов в искусственном кристалле является ключом к этому последнему исследованию. «Это имеет решающее значение для создания« совершенно »реконфигурируемого квантового метаматериала без потерь», — сказал он, позволяя переконфигурировать оптическую структуру искусственного кристалла с открытой геометрии (гиперболической формы) на закрытую (эллиптическую). та же частота и со сверхбыстрой синхронизацией. Это контролируемое изменение формы резко меняет скорость, с которой пробный атом в искусственном кристалле испускает фотон.
Последнее предложение предполагает, что можно увеличить скорость, с которой пробный атом может излучать фотон, с наносекунд или миллиардных долей секунды до пикосекунд или триллионных долей секунды. Кроме того, этот процесс считается «без потерь», что означает, что фотоны не будут терять свою энергию в окружающей их структуре, как они, вероятно, потеряли бы в традиционном материале.
Это преодолевает одно препятствие на пути к квантовым вычислениям и обработке информации.Атомы, помещенные в искусственный кристалл, также могли быть вынуждены перескакивать с одного места на другое. В этом случае атомы могут сами служить носителями информации в квантовом компьютере или быть устроены как квантовые датчики, сказал Джа.
Джа отметил, что это последнее исследование объединяет исследования метаматериалов с наукой о «холодных атомах», то есть атомах, которые замедляются и даже останавливаются с помощью лазерного света, который в процессе охлаждает их до сверхохлажденных температур. Он сказал: «Эта интеграция решила некоторые нерешенные проблемы для платформ из метаматериалов и превосходит другие конструкции в нескольких ключевых аспектах, имеющих решающее значение для квантовых технологий».
Исследователи обнаружили, что атомы рубидия идеально подходят для этого исследования, однако атомы бария, кальция и цезия также могут быть захвачены или помещены в искусственный кристалл, поскольку они имеют аналогичные уровни энергии. В то время как искусственный кристалл, используемый в исследовании, описывается как одномерный, Джа сказал, что тот же подход можно легко расширить для создания двумерных и трехмерных квантовых кристаллических структур метаматериалов вне света.Чтобы реализовать предложенный метаматериал в реальном эксперименте, Чжан и Джа заявили, что исследовательской группе потребуется захватить несколько атомов на узел решетки в искусственном кристалле и удерживать эти атомы в решетке, даже когда они возбуждены до более высоких энергетических состояний.
Чжан сказал: «Лаборатория Беркли была лидером в новаторских исследованиях метаматериалов, и эта работа может открыть новые области возможностей для квантовых взаимодействий света и материи с заманчивыми приложениями в квантовой информатике».Джа добавил: «Мы считаем, что сочетание этих двух современных областей науки поможет решить ключевые проблемы в обеих областях и откроет совершенно новое направление исследований на стыке квантовой фотоники и искусственных материалов».
Работа поддержана Управлением научных исследований ВВС США и Фондом Гордона и Бетти Мур.