Nieniszczące kontrolowanie pojedynczych atomów

Optyczna sieć przestrzenna to okresowe pole potencjału optycznego (o energii potencjalnej zależnej przestrzennie) utworzone przez interferencje wiązek laserowych o przeciwnej propagacji. Dynamika ultrazimnych atomów w optycznych sieciach przestrzennych jest bardzo zbliżona do właściwości układów w fazie stałej, ale ze znacznie lepszą czystością, regularnością i możliwościami strojenia. Dzięki temu optyczne sieci przestrzenne stanowią doskonały poligon doświadczalny do sprawdzania najśmielszych przewidywań inżynierii kwantowej.

Naukowcy korzystający ze wsparcia UE dla projektu "Quantum control: Manipulating and interfacing selected atoms in optical lattices with light" (QNDLATTICE) zajęli się połączeniem badań nad ultrazimnymi atomami w optycznych sieciach przestrzennych z nieniszczącymi pomiarami kwantowymi (QND). Pomiary QND wykorzystują zjawiska interakcji światła ze stanami atomowymi w optycznych sieciach przestrzennych. Można dzięki nim obserwować układ kwantowy bez zakłócania jego stanu działaniem samej aparatury pomiarowej.

Tuż przed zainicjowaniem stypendium reintegracyjnego udało się opracować metodę optycznego obrazowania pojedynczej lokalizacji w sieci przestrzennej, jednak podejście optyczne jest kosztowne i dość skomplikowane technicznie. W fazie reintegracji badacze skupili się na wykrywaniu i manipulowaniu z użyciem pomiarów QND w optycznej sieci przestrzennej. Technika ta jest nie tylko prostsza, ale i bardziej czuła, ponieważ wykorzystuje częstotliwość, którą względnie łatwo kontrolować.

Zważywszy na brak podstaw teoretycznych łączących te dwie odrębne dziedziny, badacze z projektu QNDLATTICE opracowali niezbędny kod symulacyjny. Umożliwiło to stworzenie i opublikowanie nowych architektur do skalowalnych obliczeń kwantowych, atomtroniki i kwantowego sterowania stanami wielu ciał z wykorzystaniem pomiarów QND. Zbudowanie nowego układu laserowego do obrazowania ultrazimnych atomów metodą QND pozwoliło dokonać pierwszego w historii sondowania takich atomów w optycznych sieciach przestrzennych z wykorzystaniem interakcji Faradaya (interakcji światła z polem magnetycznym).

Przygotowano instalację doświadczalną i podstawy teoretyczne do nieniszczącego manipulowania poszczególnymi lokalizacjami w optycznej sieci przestrzennej. Oczekuje się, że wyznaczony cel zostanie osiągnięty nie później niż na pół roku przed zakończeniem projektu. Dostęp do niedrogiej i względnie prostej aparatury doświadczalnej do manipulowania spinem pojedynczego atomu otworzy nowe okno na świat kwantowy. W rękach wybitnych naukowców będzie to nieocenione narzędzie.