Niemieckie badania zbliżają nas o krok do informatyki kwantowej
Finansowany ze środków unijnych zespół naukowców z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Niemczech poczynił znaczące postępy na drodze w kierunku wielkoskalowej informatyki kwantowej i symulacji systemów skondensowanej materii dzięki nowym odkryciom dotyczącym manipulowania atomami. Odkrycia zostały zaprezentowane w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature. Źródłem dofinansowania badań były projekty AQUTE (Atomowe technologie kwantowe) i NAME-QUAM (Nanoprojektowanie atomowej i molekularnej materii kwantowej), obydwa dofinansowane z tematu "Technologie informacyjne i komunikacyjne" Siódmego Programu Ramowego (7PR). Dodatkowe wsparcie unijne pochodziło również ze stypendiów Marie Curie przyznanych członkom zespołu badawczego. Naukowcy są w stanie skierować wiązkę laserową na pojedyncze atomy w sieci światła i zmienić ich stan spinu. Udało im się uzyskać pełną kontrolę nad pojedynczymi atomami i "zapisać" dowolne schematy dwuwymiarowe. Schłodzone laserowo atomy rubidu zostały wprowadzone do sztucznego kryształu światła, stworzonego przez nałożenie kilku wiązek laserowych jedna na drugą. Następnie utrzymywano je w sieci światła w sposób, który zespół porównał do trzymania kulek w zagłębieniach opakowania na jaja. Sieć światła nieznacznie odkształca powłokę elektronową atomu, co powoduje zmianę różnicy energii między dwoma stanami spinu. Wykorzystując wszechstronność ultrazimnych atomów w sieciach optycznych, naukowcy byli w stanie zapewnić wysoki poziom kontroli nad doświadczeniem. Wykazali, w jaki sposób taką kontrolę można sprawować na najbardziej podstawowym poziomie pojedynczego spinu w konkretnym miejscu sieci optycznej. Zaczynając od uporządkowania 16 atomów nawleczonych obok siebie w sieci niczym koraliki naszyjnika, naukowcy zbadali, co dzieje się, kiedy wysokość sieci zostaje obniżona tak dalece, że cząstki mogą "tunelować" się zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej. Wyniki pokazały, że przesuwają się w sieci, nawet jeżeli ich energia nie jest wystarczająca do przekroczenia bariery między studzienkami sieci. Zawieszenie atomów na jednej nitce umożliwiło naukowcom bezpośrednią obserwację ich dynamiki tunelowania, w ramach zjawiska, które można by opisać jako "wyścigowy pojedynek" atomów. "Kiedy tylko wysokość sieci osiąga punkt, w którym staje się możliwe tunelowanie, cząstki rzucają się do biegu, jakby brały udział w gonitwie" - opisuje naukowiec Christof Weitenberg. "Wykonując zdjęcia atomów w sieci w różnych okresach po 'sygnale startowym' mogliśmy po raz pierwszy bezpośrednio obserwować efekt tunelowania kwantowo-mechanicznego pojedynczych cząstek masy w sieci optycznej." Ostatnie badania opierają się na wynikach wcześniejszych prac przeprowadzonych przez zespół. Kilka miesięcy temu naukowcy wykazali, że każda pozycja sieci optycznej może zostać wypełniona dokładnie jednym atomem. Teraz udało im się zająć oddzielnie każdym atomem w sieci i zmienić jego stan energetyczny. "Wykazaliśmy, że możemy sterować pojedynczymi atomami. Aby atom służył jako bit kwantowy musimy wygenerować spójne superpozycje jego dwóch stanów spinu" - wyjaśnia naukowiec Stefan Kuhr. "Kolejnym krokiem jest poznanie podstawowych operacji logicznych między dwoma wybranymi atomami w sieci, tak zwanymi bramkami kwantowymi." Ogólnym celem projektu AQUTE jest opracowanie technologii kwantowych opartych na systemach atomowych, molekularnych i optycznych (AMO) na potrzeby zarówno skalowalnej informatyki kwantowej, jak i technologii bazujących na splątaniu, takich jak metrologia czy odczyt fizyczny. Projekt ma również ustalić i wykorzystać nowe powiązania interdyscyplinarne wynikające z fizyki AMO. Podobnie projekt NAME-QUAM bada technologię ultrazimnych atomów/molekuł materii kwantowej na potrzeby zadań obliczeniowych informatyki kwantowej. Jego celem jest opracowanie nowatorskich technik na potrzeby inżynierii kwantowej i kontroli kwantowej ultrazimnych atomów i molekuł zamkniętych w nanostrukturach okresowych.Więcej informacji: Instytut Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka: http://www.quantum-munich.de
Kraje
Niemcy