Atomeja lävistäen ja heitellen

Äskettäin löydetty ilmiö, jota kutsutaan "kollektiivisesti indusoiduksi läpinäkyvyydeksi" (CIT), saa atomiryhmät äkillisesti lopettamaan heijastamasta valoa tietyillä taajuuksilla.

CIT löydettiin sulkemalla ytterbiumatomeja optiseen onteloon ja puhaltamalla niitä laserilla. Vaikka laserin valo pomppii atomeista tiettyyn pisteeseen asti, valon taajuutta säädettäessä ilmestyy läpinäkyvyysikkuna, jossa valo yksinkertaisesti kulkee onkalon läpi esteettä.

"Emme ole koskaan tienneet tämän läpinäkyvyysikkunan olemassaolosta", sanoo Caltechin Andrei Faraon.

Läpinäkyvyysikkunan analyysi osoittaa, että se on seurausta onkalossa atomiryhmien ja valon välisistä vuorovaikutuksista. Tämä ilmiö muistuttaa tuhoisaa interferenssiä, jossa kahdesta tai useammasta lähteestä tulevat aallot voivat kumota toisensa.

Läpinäkyvyysilmiön lisäksi tutkijat havaitsivat myös, että atomien kokoelma voi absorboida ja emittoida lasermaista valoa joko paljon nopeammin tai paljon hitaammin kuin yksittäinen atomi, laserin intensiteetistä riippuen. Näitä prosesseja kutsutaan suprasäteilyksi ja subradianssiksi ja niiden taustalla oleva fysiikka ovat edelleen huonosti ymmärrettyä vuorovaikutuksessa olevien kvanttihiukkasten suuren määrän vuoksi.

Tutkijoiden mukaan työ on enemmänkin perustavaa laatua ja laajentaa ymmärrystä kvanttivaikutusten salaperäisestä maailmasta. Se voi jonakin päivänä auttaa tasoittamaan tietä tehokkaammille kvanttimuisteille, joissa informaatio on tallennettu vahvasti kytkeytyneiden atomien joukkoon. Työ tarjoaa myös näkemyksen kvanttitietokoneiden välisten tulevien yhteyksien kehittämisestä.

KAIST:n professori Jaewook Ahnin johtaman tutkimusryhmän kehittämä tekniikka mahdollistaa valon käyttäminen atomien heittämiseen ja sieppaamiseen avaa siten uuden luvun Ryberg-kvanttilaskentaan.

Atomien sijoittamiseksi haluttuun paikkaan atomit on siepattava ja kuljetettava yksitellen käyttämällä erittäin fokusoitua lasersädettä eli optista pinsettiä mutta atomien kvantti-informaatio todennäköisesti muuttuu siirron aikana.

Tutkimusryhmä kiihdytti optisen pinsetin laseria antaakseen optisen potkun rubidiumatomille heittääkseen sen kohteeseen missä siitä otettiin koppi toisella optisella pinsetillä. Näin minimoidaan aika, jonka optiset pinsetit ovat kosketuksissa atomien kanssa. Se myös eliminoi tarpeen laskea pinseteille tavallisesti tarvittavaa kuljetusreittiä ja helpottaa atomijärjestelyn vikojen korjaamista.

Atomi lensi nopeudella 65 cm/s ja matkasi jopa 4,2 μm.

"Tätä tekniikkaa käytetään suurempien ja tehokkaampien Rydbergin kvanttitietokoneiden kehittämiseen", sanoo professori Jaewook Ahn. "Rydbergin kvanttitietokoneessa", hän jatkaa, "atomit on järjestetty tallentamaan kvantti-informaatiota ja olemaan vuorovaikutuksessa viereisten atomien kanssa sähkömagneettisten voimien avulla kvanttilaskennan suorittamiseksi.

Aiheista aiemmin:

Syvästi oppinut atomien kokoaja