Лет пятьдесят назад редкий фантаст мог представить себе то, что нынче становится реальностью. Так, совсем недавно немецкие ученые экспериментально продемонстрировали возможность создания квантового регистра на основе отдельных атомов.

Одно из самых интенсивно развивающихся и модных направлений научных исследований - квантовые вычисления и квантовые компьютеры. В обычных, (классических) компьютерах происходит обработка информации, представленной в виде классических битов. Каждый такой бит представляет собой физическую систему, имеющую два состояния, которым приписывается значение "0" и "1" (в качестве физического носителя информации могут выступать, например, магнитики, для которых состояниям "0" и "1" соответствуют противоположные ориентации магнитного момента). В квантовом компьютере информация представляется в виде квантовых битов (кубитов); каждый кубит представляет собой квантовую систему с двумя базисными состояниями (|0> и |1>). В отличие от классического случая, когда система может находиться либо в состоянии "1", либо в состоянии "0", состояние квантовой системы в общем случае есть суперпозиция базисных состояний |0> и |1>, т.е. система может находиться (быть обнаружена) одновременно в двух состояниях. Различия в свойствах квантовых и классических систем приводят к тому, что в ряде приложений квантовые компьютеры должны обеспечивать колоссальный выигрыш в скорости расчетов. Именно это, с практической точки зрения, обеспечивает интерес к созданию квантовых компьютеров.

Одна из главных задач на сегодняшний день - поиск оптимальной "элементной базы" для квантовых компьютеров (выбор объектов, которые будут играть роль квантовых битов, и организация логических вентилей на их основе). Ученые из Боннского университета полагают, что одним из наиболее перспективных кандидатов на роль кубитов являются нейтральные атомы, и они уже достигли значительных успехов в работе с отдельными атомами в оптической ловушке. В недавно вышедней работе [1] исследователи продемонстрировали реализацию квантового регистра на основе нейтральных атомов.

Рис.1. Схема экспериментальной установки (BS - светоделитель, ICCD - камера на основе ПЗС-матрица с повышенной чувствительностью, APD - лавинный фотодиод).

Для начала, естественно, необходимо создать набор из строго определенного числа локализованных атомов (понятно, что работа должна вестись в высоком вакууме). В качестве источника атомов ученые использовали охлажденные в магнито-оптической ловушке до сверхнизких температур атомные пары (количество атомов в ловушке контролируется по интенсивности флуоресценции). Из магнито-оптической ловушки атомы цезия загружались в дипольную оптическую ловушку (схема эксперимента показана на рис. 1), созданную двумя распространяющимися в противоположных направлениях лучами лазера с длиной волны 1064 нм (глубина потенциальной ямы для атомов составляла примерно 2 мК). Атомы в оптической ловушке освещались светом, частота которого чуть ниже частоты поглощения атомов цезия. Этот свет нужен для доплеровского охлаждения атомов, припцип которого состоит в следующем. За счет эффекта Доплера движущийся навстречу лучу света атом способен поглотить фотон, соответственно, получив от кванта импульс в направлении, потивоположном направлению движения. Через какое-то время возбужденный атом излучает фотон (в среднем излучение происходит изотропно по всем направлениям); если атомы освещаются со всех сторон, то в результате многократных актов поглощения-излучения фотонов атом постепенно тормозится. С помощью оптической системы, содержащей камеру на основе ПЗС-матрицы с повышенной чувствительностью, ученые могли регистрировать излучаемые атомами в вышеописанных процессах фотоны и, таким образом, определять не только число атомов, находящихся в оптической ловушке, но и их положение в пространстве (с точностью около 3 мкм).

После того, как атомы цезия загружались в оптическую ловушку, исследователи на некоторое время выключали один из лазеров, давая атомам возможность мигрировать вдоль лазерного луча, а затем вновь включали его, останавливая атомы. В результате они получали точно определенное число атомов, вытянутых в цепочку вдоль лазерного луча. В качестве базисных состояний кубита были избраны два различных уровня сверхтонкого расщепления (|F = 4, m_F =4> (|0>) и |F = 3, m_F = 3>) (|1>) основного состояния атома цезия 6S_1/2. Расстояние между такими уровнями очень мало (обычно величина сверхтонкого расщепления составляет несколько ГГц).

Атомы находились в области неоднородного магнитного поля, за счет чего достигался небольшой сдвиг частот спектральных переходов (по причине эффекта Зеемана). Это давало возможность, соответствующим образом меняя частоту микроволного излучения, воздействовать на состояние избранного атома (осуществлять селективную адресацию). А именно, данные о положении атомов с камеры поступали на управляющий компьютер; тот производил вычисление резонансной частоты для каждого конкретного атома, и, в случае необходимости воздействия на состояние определенного атома, выдавал команды на генератор микроволнового излучения, который посылал импульсы микроволнового излучения требуемой длительности и частоты.

Рис. 2. Работа с квантовым регистром из пяти нейтральных атомов. a, e - полученные с помощью камеры изображения атомов (время выдержки - 500 мс); b, c, d - манипуляции с атомами (подробности в тексте), синим показаны атомы в состоянии |0>, желтым - в состоянии |1>.

На рис. 2 показан пример осуществления работы с квантовым регистром из пяти нейтральных атомов (рис.2a). В начальный момент, за счет воздействия циркулярно- поляризованным лазерным излучением, все атомы были приведены в состояние |0> (т.е. регистр был приведен в состояние |00000>) - рис.2b. После этого атомы 2 и 4 путем воздействия микроволновых импульсов соответствующей частоты и длительности приводились в состояние |1> (регистр был приведен в состояние |01010>) - рис.2c. С целью проверки того, действительно ли регистр находится в том состоянии, в котором он должен находиться по предположению исследователей, магнитное поле выключалось и, с помощью лазерного излучения точно подобранной частоты, атомы, находящиеся в состоянии |0>, "выдавливались" из ловушки (подобное селективное воздействие позволяет точно определить состояние атома с вероятностью более 99 %) - рис.2d. По завершении манипуляций камера зафиксировала, что в ловушке осталось только те два атома (2 и 4), которые должны были остаться. Как показывают эксперименты, минимальное расстояние между атомами, позволяющее осуществлять выборочную адресацию, составляет примерно 2.5 мкм (атом, находящийся в 2.5 мкм от атома, на состояние которого происходит воздействие, с вероятностью около 100 % не изменяет своего состояния).

Задача, которая стоит перед учеными в настоящее время - организовать взаимодействие между атомами-кубитами, которое позволило бы осуществлять квантовые логические операции.

1. D.Schrader, I.Dotsenko, M.Khudaverdyan, Y.Miroshnichenko, A,Rauschenbeutel, and D.Meschede. Phys.Rev.Lett, v.93, 150501 (2004). (в свободном доступе статья находится здесь).

Е.Онищенко