В своей последней работе ученые из Великобритании и Франции показали, как с помощью двух оптических волокон можно наблюдать сильное взаимодействие ионов с фотонами. Ранее подобная техника применялась только для отображения взаимодействий с нейтральными атомами. Теперь же ученые зафиксировали один ион иттербия в небольшом зазоре между двумя оптическими волокнами, концы которых выступали в качестве зеркал. Как считают сами ученые, их работа может стать еще одним шагом к созданию квантовых систем, которые хранят информацию за счет ионов и перемещают с помощью света.

Многие исследователи хотели бы использовать ионы в качестве квантовых бит, т.е. отдельных строительных блоков гипотетического квантового компьютера, который по своим возможностям мог бы намного обойти обычные ПК.

Создать такой компьютер можно было бы, масштабируя уже созданные системы из нескольких зафиксированных в ловушках ионах. Причем, такая схема могла бы включать в себя фотоны, как инструмент передачи квантовых состояний между отдаленными друг от друга ионами.

На сегодняшний день исследователи уже получили взаимодействующие между собой ионы и фотоны внутри оптического резонатора, который представляет собой пару близко расположенных зеркал, увеличивающих отражение определенной длины волны.

Оказалось, что для эффективного и надежного ионно-фотонного взаимодействия идеальные условия – это так называемая сильная связь, в рамках которой ион постоянно поглощает и испускает один фотон, причем эти процессы происходят со скоростью превышающей скорость «конкурирующих» процессов (к примеру, выхода фотона из резонатора).

Ранее в рамках экспериментов ученые смогли добиться сильной связи фотонов с нейтральными атомами, но при этом весь богатый и разнообразный математический аппарат ранее был теоретически разработан именно для ионов. Таким образом,

научная группа из University of Cambridge (Великобритания), École Normale Supérieure и Pierre and Marie Curie University (Франция) поставила себе цель адаптировать существующую технику создания сильной связи фотонов и нейтральных атомов для ионов.

Проблема эксперимента заключалась в том, что странствующие заряды имели тенденцию накапливаться в полости и смещать ион из его «нейтрального» положения, определяемого электрическими полями.

Таким образом, для блокировки постороннего ультрафиолетового света, который мог попадать в оптические волокна и генерировать в них «паразитные» заряды, ученые снабдили волокна металлическими рукавами.

В своем эксперименте команда зафиксировала с помощью электрического поля положительный ион иттербия в зазоре между зеркалами шириной 230 мкм на 30 минут. С помощью воздействия лазерного излучения команда сначала охлаждала атом, а затем возбуждала его, что позволило прийти к выполнению одного из основных «обязательных» требований для существования сильной связи – высокой частоте поглощения и излучения фотона ионом.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Как считают коллеги ученых, работа представляет собой действительно серьезный прорыв. Однако, по их мнению, полученное состояние нельзя в полной мере назвать сильной связью, ведь продолжительность жизни каждого из фотонов в полости была меньше, чем требовалось, из-за недостатков микроскопических зеркал.

Для достижения истиной ионно-фотонной сильной связи необходимо повторить эксперимент с улучшенными зеркалами.