Se on pienestä kiinni

Buffalon yliopiston johtama tutkimusryhmä raportoi, että vuorovaikutuksessa olevat fotonit ja atomit eivät aina saavuta lämpötasapainoa odotetun nopeasti.

Terminen tasopainossa vuorovaikuttavat hiukkaset vaihtavat energiaa ennen kuin asettuvat samaan lämpötilaan, ja se tapahtuu tyypillisesti nopeasti, kun loukkuun jäänyt valo on toistuvasti vuorovaikutuksessa aineen kanssa. Fyysikot ovat kuitenkin havainneet, että oikeissa olosuhteissa fotonit ja atomit voivat sen sijaan asettua eri – ja joissakin tapauksissa vastakkaisiin – lämpötiloihin pitkiksi ajoiksi.

Nämä niin kutsutut esitermiset tilat voivat kestää riittävän kauan ollakseen merkityksellisiä neutraaliatomien kvanttitietokoneille, jotka käyttävät fotonien ja atomien välisiä vuorovaikutuksia informaation tallentamiseen ja käsittelyyn.

Tähän mennessä suurin osa neutraaliatomien kvanttilaskennan tutkimuksesta on keskittynyt Rydbergin atomien suurten matriisien rakentamiseen. Näissä järjestelmissä lyhyitä laserpulsseja käytetään atomien vangitsemiseen ja lomittamiseen matriisien sisällä. Valo on ohimenevä ohjaustapa ja poistuu nopeasti, jolloin sillä on vain vähän mahdollisuuksia lämmetä atomien kanssa ja häiritä niiden herkkää kvanttikäyttäytymistä.

Mutta tulevaisuudessa tutkijat odottavat, että todella tehokkaat neutraaliatomien kvanttitietokoneet vaativat useita Rydberg-matriiseja, jotka on yhdistetty toisiinsa valolla. Tällaisessa arkkitehtuurissa fotonit viipyisivät ja olisivat toistuvasti vuorovaikutuksessa atomien kanssa, mikä lisäisi nopean lämpenemisen riskiä.

"Tämä tarkoittaisi, että valo tuhoaa käytännössä juuri sen kvantti-informaation, jota sen oli tarkoitus kuljettaa", sanoo tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Aleksandr Mikheev.

Selvittääkseen, onko tuo lopputulos väistämätön, Marino ja hänen työtoverinsa käyttivät teoreettisia malleja simuloidakseen fotonien ja atomien kvanttidynamiikkaa.

"Mallinnus osoittaa, että valon avulla voi todellakin olla mahdollista linkittää suurempia neutraalien atomien matriiseja ilman, että kvantti-informaatio huuhtoutuu pois", sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja, tohtori Hossein Hosseinabadi.

"Lisäksi atomien emittoima sama valo voisi lopulta toimia juuri sinä valona, joka yhdistää matriisit täysimittaisessa neutraaliatomien kvanttitietokoneessa", Marino lisää. "Tämä on ratkaisevan tärkeää, koska silloin ei tarvitsisi jatkuvasti puuttua asiaan. Kun järjestelmä on kerran määritetty, se voi luonnollisesti pysyä poissa lämpötasapainosta pitkään."

Aiheesta aiemmin:

Neutraaliatomien matriisit, metapinnat ja kvanttikapasitanssi

Optiseen termodynamiikkaan perustuva reititys

Kvanttitietokoneita atomeihin perustuen