Сингапурские физики продемонстрировали алгоритм упорядочивания атомов, пойманных в оптические решетки, в правильные бездефектные структуры, в котором число шагов масштабируется как квадратный корень от размера массива. Предыдущие попытки добивались в лучшем случае линейного роста. Экспериментальная реализация алгоритма для 225 атомов позволила довести успешность процедуры до 33 процентов при комнатной температуре. Авторы нарисовали атомами различные фигуры, включая фрактал и символ Сингапура.

Исследование опубликовано в Physical Review Applied.

Атомы, подвешенные с помощью лазерных пинцетов или оптических решеток в упорядоченные структуры, — это перспективная платформа для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Например, атом, туннелирующий между узлами оптической решетки, прекрасно подходит для реализации модели квантовых блужданий, а массивы ридберговских атомов позволяют ученым исследовать магнитный порядок.

Существует несколько методов формирования упорядоченных структур из атомов. Мы уже рассказывали, как для этого используют металинзы и стробоскопический эффект.

Однако для всех способов подвешивания остро стоит проблема масштабирования массивов на большое число атомов. Дело в том, что процесс заполнения узлов решетки случаен, то есть физикам приходится ждать, пока в заданный массив наберется нужное количество атомов из падающего пучка. И пока одни атомы находят свое место, другие теряются, оставляя в решетке дефекты.

В независимости от того, нужно ли в эксперименте создавать однородную атомную решетку или решетку с более сложной топологией (фрактал Серпинского, решетка кагомэ и так далее), ученые должны перераспределять стохастически заполненные массивы с помощью дополнительных пинцетов. Этот процесс сопряжен с потерями, поскольку поле дополнительных пинцетов может искажать поле основной оптической ловушки, тем же чреваты и столкновения атомов при их транспортировке. Для их минимизации уже существуют несколько алгоритмов перераспределения, но во всех них количество ходов, которые нужно сделать (а, следовательно, и вероятность ошибки), растет в лучшем случае линейно с числом атомов.

На борьбу с этой трудностью были направлены усилия группы физиков из Национального университета Сингапура под руководством Хуань Цянь Ло (Huanqian Loh). Они разработали новый алгоритм перестановки атомов, основанный на параллельной сортировке и сжатии массивов (parallel sort-and-compression algorithm, PSCA).