Достижение ученых-физиков Университета Мичигана, которое может помочь при создании быстрых квантовых компьютеров, заключается в создании ловушек для ридберговских атомов. Последние находясь в возбужденном состоянии вблизи потенциала ионизации, увеличивают свой размер и могут быть в тысячи раз больше, чем атомы в основном состоянии.

По словам Георга Рейзела (Georg Raithel), профессора физического факультета, за счет такого изменения в размерах взаимодействие между возбужденными ридберговскими атомами может, по грубым оценкам, в миллион раз сильнее, чем между обычными атомами. Вот почему они могут использоваться в быстрейших квантовых схемах. Квантовые компьютеры смогли бы решать задачи непосильные для ныне существующих. Многие ученые верят в то, что будущее вычислительной техники лежит в области квантовой физики. Статья, посвященная этому исследованию, готовится к выходу в текущем номере Physical Review Letters. Сама же работа будет представлена на конференции APS DAMOP (American Physical Society's Division of Atomic, Molecular and Optical Physics meeting) позже в мае. Команде Рейзела удалось поймать атомы в оптическую «клетку», сделанную из интерферирующих лазерных пучков.

«Оптическая «клетка» – лучшая из всех известных ловушек ридберговских атомов для применения в среде квантовой информации или высокоточной спектроскопии», – говорит Рейзел. «Сравнение ее с другими ловушками показало, что оптическая «клетка» минимизирует смещение энергетических уровней атома, что в указанных ранее приложениях очень важно».

Рейзел и аспирантки – Келли Янг (Kelly Younge) и Сара Андерсон (Sarah Anderson) – начали свою работу с атомов рубидия в основном состоянии, которые при комнатных температурах имеют скорость приблизительно равную скорости звука, то есть порядка 300 м/с.С помощью лазера ученым удалось замедлить их до скорости в 10 см/с.

«А это уже скорость комара», – говорит Келли. «Охлаждающее лазерное излучение в комбинации с магнитным полем позволило нам создать ловушку для атомов в основном состоянии, и лишь после этого возбуждались ридберговские».

В атоме рубидия только один электрон находится на внешней валентной оболочке. Точно настроенными лазерами ученые переводили электрон в возбужденное состояние, при этом он оказывался в 100 раз дальше от ядра, что позволяло говорить именно о ридберговском состоянии. Этот валентный электрон, в таком случае, настолько далек от ядра, что ведет себя почти как свободный.

Чтобы удерживать рибдерговские атомы, ученые воспользовались эффектом возникновения пондеромоторных сил, позволяющим уберечь атом, переводя на более высокий уровень только один валентный электрон. Именно оптическая «клетка», созданная интенсивными интерферирующими лазерными пучками и создает эти силы.

«Электромагнитное поле лазера попадает на электрон, который ведет себя почти как в свободном состоянии, но остаточные слабые силы со стороны ядра все еще удерживают атом. В результате, в поле лазерного излучения удерживается целый атом», – говорит Рейзел. Ученые использовали микроволновую спектроскопию, чтобы определить, каким образом «клетка» влияет на ридберговские атомы, но в основном для ответа на вопрос, как же ведут себя атомы в ловушке.

«Вообще говоря, мы могли бы отследить движение атомов в течение эксперимента. Мы могли бы сказать, какие атомы находились в потенциальной яме в э/м поле, а какие переходили из одной ямы в другую. Таким образом, мы могли бы оптимизировать характеристики ловушки», – говорит Келли.