Используя лазеры, чтобы извлечь всего один атом из облака ультрахолодного газа рубидия, физики разработали новый, быстрый и эффективный способ по созданию одиночных фотонов, которые в дальнейшем могут быть использованы в квантово-оптической обработке информации, изучении динамики и разбора беспорядка в определённых физических системах, сообщает «WordScience.org».
Методика использует уникальные свойства атомов, которые имеют один или несколько электронов, возбуждённых почти до состояния ионизации, известное как ридберговское состояние. Атомы в этом очень возбуждённом состоянии (с главным квантовым числом более 70-ти) имеют преувеличенные электромагнитные свойства и сильно взаимодействуют друг с другом. Это позволяет ридберговским атомам блокировать образование дополнительных возбуждённых атомов в районе от 10 до 20 микрон.
Этот один ридберговский атом может быть преобразован в фотон, гарантируя, что в среднем только один фотон будет произведён из облака рубидия, содержащего сотни плотно упакованных атомов. Надёжное производство одного фотона с хорошо известными свойствами важно для нескольких областей исследования, в том числе систем квантовой информации.
Новый метод должен был быть представлен 19-го апреля 2012-го года в «Science Express», интернет-издание журнала «Science». Данная работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда (National Science Foundation — NSF) и «Air Force Office of Scientific Research» (AFOSR).
«Мы в состоянии преобразовать возбуждённые атомы в одиночные фотоны с очень существенной эффективностью, что позволяет нам создать такое структуру, в которой мы нуждаемся», — пояснил Алексей Кузьмич, профессор из «School of Physics at the Georgia Institute of Technology». «Эта новая система предлагает плодородную область для расследования запутанных состояний атомов, спиновых волн и фотонов. Мы надеемся, что это первый шаг к выполнению гораздо больших возможностей в этой системе».
Кузьмич и соавтор Ярослав Дудин — научный сотрудник, изучали квантовые информационные системы, которые полагаются на отображение информации из атомов на запутанные пары фотонов. Но, техника комбинационного рассеяния, которую они использовали для создания фотонов оказалась неэффективной и не обеспечила таким количеством запутанных фотонов, которое необходимо для сложных систем.
«Этот новый источник фотонов примерно в тысячу раз быстрее, чем существующие системы», — сказал Дудин. «Для нашей первой экспериментальной реализации эти показатели невероятно хороши».
Для создания ридберговских атомов, исследователи использовали лазеры, чтобы осветить плотную группу из нескольких сотен атомов рубидия-87, которые были охлаждены лазером и заключены в оптической решётке. Освещение активизировало один атом из всего облака в состояние Ридберга. Атомы, возбуждённые до ридберговского состояния сильно взаимодействуют с другими ридберговскими атомами и при подходящих условиях изменяют уровень атомной энергии, тем самым препятствуя переходу в это состояние, более одного атома — явление, известное как блокада ридберговских атомов.
Ридберговские атомы показывают сильное взаимодействие в пределах от 10 до 20 микрон. Ограничивая группу атомов рубидия примерно на такое же расстояние, Кузьмич и Дудин смогли гарантировать, что будет сформирован не более, чем один атом.
«Ридберговские атомы нуждается в свободном пространстве вокруг себя и не позволяют другим ридберговским атомам находиться рядом», — объяснил Дудин. «Наша группа имеет ограниченный объём, поэтому мы не могли вместить в пространство более одного атома».
Кузьмич и Дудин уже используют ридберговские атомы с главным квантовым числом около 100. Эти атомы намного больше (на целых полтора микрона в диаметре), чем атомы рубидия со стандартным состоянием, которые имеют квантовое число 5 и диаметр в несколько ангстрем.
После того, как был создан сильно возбуждённый атом, исследователи использовали дополнительное лазерное поле для преобразования возбуждения в квантовой свет, который имеет те же статистические свойства, что и возбуждение. Так как поле было произведено из одного ридберговского атома, в нём содержится только один фотон, который может быть использован в различных протоколах.
Группа «Georgia Tech» задалась следующей целью по развитию квантовых ворот между световыми полями. Предложенное и проводимое многими исследовательскими группами квантовое стробирование фотонов, пока было безуспешным.
«Если это будет реализовано, квантовые ворота позволят нам детерминировано создавать сложные запутанные состояния атомов и света, который привносит ценные возможности в область квантовых сетей и вычислительной техники», — сказал Кузьмич.
Помимо систем квантовой информации, новая однофотонная система также может помочь учёным в исследовании других областей физики.
«Наши результаты также перспективны в исследованиях динамики и беспорядка в системах многих тел с изменчивым взаимодействием», — объяснил Кузьмич. «Нарушение поступательной симметрии, фазовые переходы и неравновесная физика многих тел могут быть исследованы в будущем с использованием сильно связанных, возбуждённых до ридберговского состояния атомов газа».
«Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative» (MURI) недавно была присуждена консорциуму из семи университетов США, которые будут работать вместе, чтобы определить наилучший подход для создания квантовой памяти, основанной на взаимодействии между светом и веществом.
«Этой работой мы продемонстрировали новый, детерминированный источник одиночных фотонов», — сказал Кузьмич. «В своей экспериментальной реализации, она уже выигрывает у других видов одиночных фотонов, которые преследовали в течение последнего десятилетия. С дальнейшим повышением эффективности, скорости генерации и интеграции с долговечной квантовой памятью, такой однофотонный источник может сделать возможной квантово-оптическую обработку информации».
Источник: wordscience.org
