Фотоны являются идеальными летящими кубитами для квантового компьютера, однако они плохо взаимодействуют друг с другом. В вакууме они вообще не взаимодействуют, в веществе обычно очень слабо. Есть возможность значительно усилить взаимодействие фотонов, приведя их частоту в резонанс с оптическими переходами в среде. Однако это усиление неизбежно связано и с большим поглощением фотонов

Выход из этой ситуации дает эффект индуцированной электромагнитным полем прозрачности (EIT) [1]. В недавней работе ученых Англии и Германии был продемонстрирован этот эффект [2]. От предыдущих экспериментов данная работа отличается использованием ридберговских состояний атомов рубидия. Схема эксперимента представлена на рис. 1, справа.

Рис. 1. Схема оптических переходов (верх): сигнальный пучок (signal) возбуждает электрон из состояния 5s в 5p, пучок накачки (coupling) возбуждает электрон из состояния 5p в ридберговское состояние ns (n=28). Схема установки (низ): сигнальный пучок разделяется на собственно сигнальный и опорный (reference), пучок накачки распространяется навстречу сигнальному, на выходе сигнальный и опорный пучки собираются вместе

Частота сигнального пучка соответствует переходу в атоме рубидия из основного состояния 5s в возбужденное – 5p. Мощность этого пучка мала. В то же время, мощность пучка накачки (coupling) велика, а частота соответствует переходу из состояния 5p в ридберговское состояние ns (n=28). Ридберговскими состояниями называют верхние возбужденные состояния атома с большим номером n ≈ 20–50. По причине пространственной протяженности энергия ридберговских состояний очень чувствительна к постоянному электрическому полю (рис. 1, слева). Это предоставляет возможность управлять эффектом EIT, поскольку выбором приложенного электрического поля можно добиться резонанса или выйти из него. В этом и состоит “гигантская электрооптика”, родственная эффекту Керра, который заключается в изменении диэлектрической проницаемости среды под действием электрического поля. В данном случае эффект такого воздействия оказывается на 6 порядков величины сильнее, чем рекордные значения эффекта Керра, наблюдаемые в нитробензоле.

Эффект EIT реализуется в той области, где сигнальный пучок находится вместе с пучком накачки (на рис. 1 нижняя часть сигнального пучка). Суть эффекта EIT состоит в том, что мощный опорный пучок вызывает когерентные переходы из возбужденного состояния 5р в верхнее возбужденное состояние (в данном случае оно является ридберговским состоянием). Иными словами, осуществляется режим осцилляций Раби, когда электрон ходит между двумя состояниями, то испуская, то поглощая фотон. Когерентность возбужденного состояния 5р вызывает когерентный режим переходов 5s → 5p, хотя мощность сигнального пучка мала и сама по себе недостаточна для обеспечения этого режима (рис. 2). Когерентность означает отсутствие поглощения. Таким образом, пучок накачки создает для сигнального пучка особую среду, которая для него имеет высокую реальную часть диэлектрической проницаемости. Такая высокая диэлектрическая проницаемость возникает из-за резонанса, в то же время, поглощение отсутствует. Высокая диэлектрическая проницаемость означает большой показатель преломления, приводящий к замедлению сигнального пучка по отношению к его опорной части (верхняя часть сигнального пучка на рис. 1). Фазовая задержка вызывает интерференцию на выходе системы, где обе части сигнального пучка собираются вместе, что и регистрируется в эксперименте.

Рис. 2. Поглощение сигнального пучка в отсутствие (штриховая линия) и в присутствии пучка накачки (сплошная линия)

Отметим, что на ридберговские состояния атомов уже давно обращают внимание специалисты по квантовым компьютерам. Поскольку волновая функция в этих состояниях широко расплывается, это обеспечивает возможность эффективного взаимодействия соседних атомов, которые могут являться кубитами квантового компьютера.

В. Вьюрков

• 1. http://en.wikipedia.org/…transparency
• 2. A.K.Mohapatrai et al., Nature Phys. 4, 890 (2008)