Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру

"Наши результаты и методика могут быть интересны не только российским физикам. Зарубежные группы тоже бывают стеснены в средствах, и если есть возможность купить видеокамеру существенно дешевле, которая показывает приемлемый для эксперимента результат, - это для всех важно", - рассказалодин из авторов работы, старший научный сотрудник ИФП СО РАН Илья Бетеров.

В последние годы физики надеются, что одиночные атомы можно использовать в качестве кубитов - элементарных ячеек памяти и вычислительных блоков квантовых компьютеров. Одну из самых больших вычислительных систем такого рода создал профессор Гарвардского университета Михаил Лукин на основе пятидесяти охлажденных до сверхнизких температур атомов рубидия.

Чтобы воплотить эти надежды в жизнь, нужно научиться удерживать одиночные атомы внутри специальных ловушек. Они представляют собой комбинацию из нескольких лазерных излучателей, которые одновременно охлаждают материю и мешают ей покинуть ту точку, где она удерживается. Саму по себе эту процедуру осуществить достаточно просто, однако при работе с квантовыми вычислениями нужно не только удерживать атом на месте, но и понимать, где он находится.

Бетеров и его коллеги решили эту задачу с помощью дешевой камеры и других приборов для наблюдений за атомом. Более качественные камеры, как отметил физик, с 2015 года не ввозят в Россию. Кроме того, они стоят более 6 млн рублей, что для многих лабораторий слишком дорого.

"Мы решали сложную проблему, состоящую из нескольких подзадач: во-первых, нужно охладить атомы. Во-вторых, одиночный атом необходимо захватить в ловушку, которая представляет собой лазерный пучок с фокусировкой в несколько микрон. И в-третьих, чтобы сфотографировать атом, нужно за короткое время зарегистрировать инфракрасные фотоны, которые атом рассеивает, находясь в ловушке", - объясняет Бетеров.

Как правило, самые лучшие бытовые камеры и лабораторные установки прошлого поколения не справляются с этой задачей, так как количество частиц света, которые рассеивает атом, довольно невелико. Российские ученые обошли эту проблему, используя длиннофокусный объектив и особую методику наблюдений за излучением атома, временно отключая удерживающие его лазеры во время получения фотографии.

Таким образом ученые смогли на протяжении 40 секунд удерживать атом рубидия внутри ловушки, получая при этом его фотографии с выдержкой в 50 миллисекунд. Это сопоставимо с результатами, которых добиваются их коллеги с помощью дорогих EMCCD-камеры. В ближайшее время Бетеров и его коллеги планируют использовать подобные системы для проведения первых квантовых вычислений с участием двух охлажденных атомов.