В новом исследовании ученые из Стэнфорда демонстрируют, как манипулировать атомами, чтобы они взаимодействовали с беспрецедентной степенью контроля. Используя точно направленные световые и магнитные поля, исследователи запрограммировали прямую линию атомов в древовидные формы, закрученную петлю, называемую лентой Мёбиуса, и другие узоры.
Эти формы были созданы не путем физического перемещения атомов, а путем контроля того, как атомы обмениваются частицами и «синхронизируются», чтобы иметь общие определенные свойства. Тщательно манипулируя этими взаимодействиями, исследователи могут создавать широкий спектр геометрий. Важно отметить, что они обнаружили, что атомы на дальних концах прямой линии можно запрограммировать так, чтобы они взаимодействовали так же сильно, как и атомы, расположенные рядом друг с другом в центре линии. Насколько известно исследователям, способность программировать нелокальные взаимодействия до такой степени, независимо от фактического пространственного положения атомов, никогда ранее не демонстрировалась.
Полученные результаты могут стать ключевым шагом вперед в развитии передовых технологий для вычислений и моделирования, основанных на законах квантовой механики — математическом описании того, как частицы движутся и взаимодействуют в атомном масштабе.
«В этой статье мы продемонстрировали совершенно новый уровень контроля над программируемостью взаимодействий в квантово-механической системе», — сказала старший автор исследования Моника Шлейер-Смит, научный сотрудник факультета Нины Крокер и доцент кафедры Физика в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. «Это важная веха, к которой мы давно стремимся, и в то же время это отправная точка для новых возможностей».
Исследование опубликовано 22 декабря в журнале Nature.
Два аспиранта, Авикар Перивал и Эрик Купер, а также аспирант Филипп Кункель являются соавторами статьи. Перивал, Купер и Кункель — исследователи из лаборатории Шлейера-Смита в Стэнфорде.
«Авикар, Эрик и Филипп очень хорошо работали вместе как команда, проводя эксперименты, разрабатывая умные способы анализа и визуализации данных и разрабатывая теоретические модели», — сказал Шлейер-Смит. «Мы все очень взволнованы этими результатами».
«Мы выбрали несколько простых геометрий, таких как кольца и несвязанные цепи, просто в качестве доказательства принципа, но мы также сформировали более сложные геометрии, включая лестничные структуры и древовидные взаимодействия, которые имеют приложения к открытым проблемам в физике», — Перивал, Купер и Кункель. говорится в заявлении группы.
Синхронизация атомов по команде
Перивал, Купер, Кункель и их коллеги проводили эксперименты для исследования на устройствах, известных как оптические столы, пара которых доминирует на полу в лаборатории Шлейера-Смита. Столы украшены замысловатыми наборами электронных компонентов, соединенных разноцветными проводами. В основе одного из оптических столов находится вакуумная камера, состоящая из металлического цилиндра, усеянного окнами-иллюминаторами. Насос вытесняет весь воздух из этой камеры, чтобы никакие другие атомы не могли потревожить маленькие сгустки атомов рубидия, заботливо размещенные внутри нее. Исследователи из Стэнфорда направили лучи лазера в эту безвоздушную камеру, чтобы уловить атомы рубидия, замедлить их движение и охладить их до уровня усиков абсолютного нуля — минимальной теоретически возможной температуры, при которой движение частиц практически прекращается.
Просветление таким образом пучков атомов также служит средством заставить атомы «разговаривать» друг с другом. Когда свет попадает на каждый атом, он передает информацию между ними, создавая закономерности, называемые «корреляциями», в которых каждый атом имеет определенное желаемое квантово-механическое свойство. Примером квантово-механического свойства является полный угловой момент, известный как спин атома, который может принимать значения, например, +1, 0 или –1.
Исследователи из Стэнфорда и других стран скоррелировали атомные сети, прежде чем использовать системы атомов, охлаждаемых лазером, но до недавнего времени можно было создать только два основных типа атомных сетей. В одной, называемой сетью «все ко всем», каждый атом общается с каждым другим атомом. Сеть второго типа работает по так называемому принципу ближайшего соседа, когда атомы, подвешенные лазером, сильнее всего взаимодействуют с соседними атомами.
В этом новом исследовании исследователи из Стэнфорда представили гораздо более динамичный метод, который передает информацию на определенных расстояниях между дискретными группами атомов. Таким образом, пространственное положение не имеет значения, и можно запрограммировать гораздо более богатый набор корреляций.
«В сети «все для всех» я как бы посылаю бюллетень по всему миру всем, а в сети ближайшего соседа я как будто разговариваю только с человеком, который живет по соседству», — сказал Шлейер-Смит. . «Благодаря программируемости, которую мы сейчас продемонстрировали в нашей лаборатории, я как будто беру телефон и набираю номер того человека, с которым хочу поговорить, находящегося в любой точке мира».
Исследователям удалось создать эти нелокальные взаимодействия и корреляции, контролируя частоты света, излучаемого на захваченные сгустки атомов рубидия, и изменяя силу приложенного магнитного поля .в оптической таблице. По мере того, как магнитное поле усиливалось от одного конца вакуумной камеры к другому, оно заставляло каждую группу атомов вдоль линии вращаться немного быстрее, чем предыдущая соседняя группа. Хотя у каждого атомного сгустка была уникальная скорость вращения, время от времени определенные сгустки, тем не менее, периодически прибывали в одну и ту же ориентацию — подобно тому, как ряд часов с прогрессивно вращающимися стрелками все еще на мгновение показывает одно и то же время. Исследователи использовали свет, чтобы выборочно включать и измерять взаимодействия между этими мгновенно синхронизированными атомными облаками. В целом, используя прямую линию из 18 облаков атомов, исследователи могли генерировать взаимодействия между облаками на любом заданном наборе расстояний вдоль линии.
«Возможность генерировать и контролировать такие виды нелокальных взаимодействий является мощной», — добавил Шлейер-Смит. «Это коренным образом меняет способ передачи информации и квантовые системы, которые мы можем проектировать».
Преимущества универсального управления
Одним из многих применений работы стэнфордской команды является разработка алгоритмов оптимизации для квантовых компьютеров — машин, которые полагаются на законы квантовой механики для обработки чисел. Квантовые вычисления находят применение в искусственном интеллекте, машинном обучении, кибербезопасности, финансовом моделировании, разработке лекарств, прогнозировании изменения климата, логистике и оптимизации расписания. Например, алгоритмы квантового компьютера могут эффективно решать проблемы планирования, находя кратчайшие возможные пути доставки или оптимизируя расписание университетских занятий, чтобы их могло посещать наибольшее количество студентов.
Еще одно многообещающее приложение — проверка теорий квантовой гравитации. Древовидные фигуры в этом исследовании были специально разработаны для этой цели — они служат базовыми моделями пространства-времени, искривленными гипотетической новой концепцией гравитации, основанной на квантово-механических принципах, которые должны пересмотреть наше понимание гравитации, как описано в теории относительности Альберта Эйнштейна. Подобный подход также может быть применен для исследования сверхплотных космических объектов, улавливающих свет, называемых черными дырами.
Шлейер-Смит и его коллеги в настоящее время работают над тем, чтобы показать, что их эксперименты могут привести к квантовой запутанности, когда квантовые состояния между атомами коррелируют таким образом, что их можно использовать для различных приложений, от сверхточных датчиков до квантовых вычислений.
«Мы добились значительного прогресса в этом исследовании и собираемся его развивать», — сказал Шлейер-Смит. «Наша работа демонстрирует новый уровень контроля, который может помочь преодолеть разрыв в нескольких областях физики между элегантными теоретическими идеями и реальными экспериментами».
Теги: гравитация, магнит
