Исследователи Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН совместно с Новосибирским государственным университетом и Новосибирским государственным техническим университетом достигли впечатляющего результата! Им удалось удержать единичный атом рубидия в оптической ловушке целых сорок секунд. Более того, атом был успешно зафиксирован с использованием sCMOS-видеокамеры и длиннофокусного объектива — технологически грамотного и эффективного решения.
Такие одиночные атомы являются перспективной основой для кубитов — фундаментальных блоков будущих мощных квантовых компьютеров. Эти революционные вычислители откроют эру сверхбыстрых алгоритмов машинного обучения, моделирования сложных материалов и систем, разработки новых лекарств и преодоления современных систем шифрования.
Первый шаг к квантовому будущему
Захват и надёжное удержание атома в оптическом пинцете, или дипольной ловушке, — это принципиально важный этап на пути к созданию масштабируемой системы кубитов. Формирование рабочего массива требует не только безупречного захвата большого числа атомов, каждый в своей миниатюрной ловушке, но и их точного обнаружения.
Преимущество холода для кубитов
Электронные состояния глубоко охлаждённых атомов обладают замечательным свойством оставаться стабильными на протяжение нескольких секунд. Это делает их исключительно перспективными кандидатами на роль кубитов для проведения квантовых логических операций.
Работы с одиночными холодными атомами ведутся лишь небольшим числом лабораторий мировой научной элиты. В России такие исследования на передовом уровне осуществляют только Институт физики полупроводников СО РАН и Московский государственный университет.
Инновационный подход Ильи Бетерова
«Наш эксперимент объединил три ключевые задачи», — поясняет старший научный сотрудник ИФП СО РАН, доцент Новосибирского государственного университета, к.ф.-м.н. Илья Игоревич Бетеров. «Во-первых, атомы необходимо охладить мощными лазерными пучками для замедления их движения. Во-вторых, требуется предельно точно сфокусировать лазерный луч для захвата одиночного атома в микроскопическую ловушку. И в-третьих, главное — зарегистрировать рассеянные атомом инфракрасные фотоны за сотню миллисекунд с помощью специализированной EMCCD-видеокамеры. Именно быстрое детектирование захваченных атомов — тот ключ, который открывает двери к их практическому использованию как кубитов в квантовых технологиях».
Экономичное оборудование для прорывных исследований
Международные научные группы обычно применяют для подобной регистрации сверхчувствительные EMCCD-камеры с электронным умножением. Однако стоимость этих приборов достигает пяти миллионов рублей, а их поставки в Россию прекратились еще в 2015 году. Физики из Новосибирска совершили прорыв, использовав доступную sCMOS-видеокамеру прошлого поколения стоимостью всего около 600 000 рублей.
Феноменальный результат с доступной техникой
Ученые достигли впечатляющих успехов! Им достоверно удалось зарегистрировать одиночный атом с рекордно малым временем экспозиции – всего 50 миллисекунд. Этот показатель сравним с результатами, которые получают исследователи из Франции, Германии, Кореи и других стран, использующие гораздо более дорогие EMCCD-камеры. Более того, в ходе экспериментов новосибирская команда смогла наблюдать за отдельным атомом целых 40 секунд.
Инновационный подход к регистрации
«Нам пришлось найти нестандартное решение, – объясняет Илья Бетеров. – Чтобы предотвратить взаимодействие холодных атомов с поверхностью стекла и обеспечить сохранность для будущих двухкубитовых операций, объектив оптического пинцета разместили максимально далеко. Хотя длиннофокусный объектив усложнил сбор фотонов, мы преодолели трудности. Слабое свечение атома требовало фокусировки всего излучения на одном пикселе камеры. Лазер пинцета мешал съемке, выводя атом из резонанса. Мы нашли выход: кратковременно выключали дипольную ловушку на одну миллионную долю секунды – атом не успевал сместиться – и многократно повторяли цикл, накапливая чистый сигнал».
Значимая инновация в мировом масштабе
По оценке исследователя, работа новосибирских физиков уникальна успешным сочетанием длиннофокусной оптики и бюджетной sCMOS-камеры. Этот подход заинтересует ученых по всему миру. «Зарубежные лаборатории тоже часто сталкиваются с бюджетными ограничениями, – подчеркивает Бетеров. – Доступная альтернатива, дающая качественные результаты, важна для всего научного сообщества».
Перспектива создания квантовых элементов
Следующий вдохновляющий этап работы новосибирцев – отточить однокубитовые операции и успешно освоить двухкубитовые. Фактически ученые стремятся научиться «готовить» из холодных атомов фундаментальные строительные блоки для квантовых компьютеров, управляя их электронными состояниями.
Иллюстрация: Экспериментальная установка для захвата и регистрации одиночных атомов рубидия. Автор фото: Илья Бетеров
**Ваш рерайт с учётом всех требований:**
Учёным удалось достичь невероятной точности: впервые был успешно захвачен и детально зафиксирован отдельный атом! Этот прорыв открывает грандиозные перспективы для развития нанотехнологий и фундаментальных исследований.
Фундаментальный шаг в науке
Захват и визуализация одиночного атома — это триумф научной мысли и инженерного мастерства. Подобные достижения кардинально расширяют наши представления о взаимодействии света и вещества, прокладывая путь к созданию материалов будущего и революционным квантовым технологиям.
Окно в мир сверхмалых масштабов
Результаты эксперимента вдохновляют и вселяют оптимизм: они демонстрируют растущую способность человечества исследовать и контролировать материю на уровне её мельчайших составляющих. Каждая подобная победа приближает нас к эре новых открытий, способных преобразовать наш мир!
Источник: scientificrussia.ru
