Исследователи из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного технического университета смогли удерживать атом рубидия в оптическом пинцете сорок секунд. За это время они получили изображение атома с помощью относительно дешевой видеокамеры с длиннофокусным объективом.

О результатах эксперимента исследователи сообщили в журнале «Квантовая электроника».

Атомы металлов, в частности рубидия, могут выступать в роли кубитов — элементов квантового компьютера, в которых происходит обработка и хранение информации. Для создания кубитов из одиночных атомов необходимо научиться удерживать их в одном положении долгое время. Одна из возможностей — использование оптической или дипольной ловушки. Созданный таким образом массив кубитов содержит множество атомов, удерживаемых отдельным пинцетом.

Чтобы сделать такой массив, исследователям нужно уметь не только захватывать атомы, но и точно регистрировать их состояния. В холодных атомах эти состояния могут существовать несколько секунд — довольно долго для использования в квантовых вычислениях.

Теперь российские исследователи смогли удержать атомы рубидия в ловушке почти минуту и впервые применили для регистрации его состояния дешевую камеру. Зарубежные ученые для таких регистраций используют камеры EMCCD с электронным умножением. Каждая из них стоит около пяти миллионов рублей. К тому же они не поставляются в Россию с 2015 года.

Новосибирские ученые использовали видеокамеру sCMOS предыдущего поколения, которая стоит 600 тысяч рублей. Но даже с помощью нее авторы смогли достоверно зарегистрировать атом с экспозицией минимум в 50 миллисекунд. Самое большое время, которое ученым удалось наблюдать объект, составило 40 секунд.

«Мы разместили объектив оптического пинцета как можно дальше от облака холодных атомов, чтобы они не взаимодействовали с диэлектрическим стеклом. Такое взаимодействие может плохо отразиться на дальнейшем осуществлении квантовых операций. Поэтому мы применили длиннофокусный объектив. Однако с ним стало сложнее регистрировать испускаемые атомом фотоны. Кроме того, одиночный атом светится слабо, поэтому все его излучение приходилось фокусировать на один пиксель матрицы камеры. Затем мы выяснили, что, если просто пытаться поймать камерой одиночный атом, то на фоне шумов практически ничего не видно из-за подсвечивающего излучения лазера оптического пинцета. Чтобы решить эту проблему, мы выключали дипольную ловушку на небольшое время ― менее одной миллионной секунды — и повторяли цикл несколько тысяч раз, накапливая сигнал при выключенном лазере», — рассказывает один из авторов работы, старший научный сотрудник ИФП СО РАН Илья Бетеров.

Теперь исследователи планируют научиться выполнять однокубитовые операции, а затем перейти и к двухкубитовым. Ученые считают, что на основе атомов рубидия вскоре можно будет создать логические элементы квантового компьютера, просто изменяя электронные состояния атома и управляя ими.