Boljom zamkom za Rydbergove atome do brzih kvantnih računala

Rydbergovi atomi zapravo su gotovo ionizirani divovi koji se nalaze u izrazito ekscitiranom stanju, a mogu biti gotovo tisuću puta veći od svog osnovnog energetskog stanja.

“Jedna od najvažnijih posljedica njihove veličine jest otprilike milijun puta jača interakcija Rydbergovih atoma u odnosu na atome u osnovnom stanju. Upravo bi zato mogli poslužiti kao brži kvantni krugovi”, objašnjava Georg Raithel, gost predavač na Odsjeku za fiziku. Kvantna bi računala mogla rješavati probleme prezamršene za današnja računala. Mnogi znanstvenici vjeruju kako budućnost računala leži upravo na kvantnom području. Članak vezan uz ovo istraživanje objavljen je u novom izdanju magazina Physical Review Letters. Sam  rad bit će prezentiran pretkraj svibnja na Fizičkom odsjeku za atomsku, molekularnu i optičku fiziku.

Raithelov tim hvatao je atome pomoću tzv. optičke mreže, košare načinjene od ukrštenih laserskih zraka. “Optička je rešetka, na području kvantne obrade podataka i visokoprecizne spektroskopije, mnogo bolja zamka od bilo koje druge zamke Rydbergovih atoma. U usporedbi s ostalim vrstama zamki, optička mreža minimalizira promjene u energetskim nivoima atoma, što je izuzetno važno kod ovakvog tipa eksperimenta”, navodi Raithel.

Raithel je u suradnji s Kelly Younge i Sarah Anderson, studenticama doktorskog studija fizike, započeo istraživanje s atomima mekog metala; rubidija u osnovnom stanju. Na sobnoj temperaturi atomi se gibaju unaokolo brzinom zvuka, otprilike 300 metara u sekundi. Znanstvenici su ih potom, pomoću lasera, ohladili i usporili na brzinu od svega 10 centimetara u sekundi. “To je otprilike brzina jednog prosječnog komarca”, objašnjava Younge. “Laseri za hlađenje u kombinaciji s magnetskim poljem mogu poslužiti kao zamka za atome u osnovnom energetskom stanju. Potom te iste atome ekscitiramo do Rydbergovih stanja.”

U atomu rubidija, u vanjskoj ljusci nalazi se samo jedan elektron, Uz precizno usklađene lasere, znanstvenici su uspjeli ekscitirati taj elektron. Uslijed ekscitacije taj se elektron pomaknuo na 100 puta veću udaljenost od jezgre, što je i uvjet za prelazak atoma na Rydbergovo energetsko stanje. Ovaj se valentni elektron nalazi toliko daleko od jezgre zbog čega se ponaša kao da je slobodan.

Za hvatanje Rydbergovih atoma, znanstvenici su iskoristili prednosti tzv. “ponderomotivne sile” koja im je omogućila zadržati cijeli atom čvrstim stiskom na valentnom elektronu – jedinoj čestici koja nastanjuje valentnu ljusku Rydbergovih atoma rubidija. Optička se mreža formira pomoću snažnih laserskih zraka koje međudjeluju te na taj način osiguravaju pojavu “ponderomotivne sile”. “Lasersko polje zadržava elektron, koji se ponaša gotovo kao da je slobodan. Ipak, ostaci slabe privlačne sile i dalje drže atom na okupu. Rezultat: cijeli je atom uhvaćen u lasersku zamku”, objašnjava Raithel.

Za proučavanje načina na koji mreža hvata Rydbergove atome te kako se oni ponašaju u mreži, fizičari su koristili tehniku pod nazivom “mikrovalna spektroskopija”. “Mi smo zapravo mogli pratiti kretanje atoma tijekom cijelog eksperimenta. Mogli smo odrediti nalazi li se atom na dnu jame u elektromagnetskom polju, odnosno  preskaču li atomi iz jedne jame u drugu. Na taj smo način mogli regulirati rad zamke”, ističe Younge.

Izvor: University of Michigan

(znanostcom)