Ядра атомов некоторых химических элементов уже давно являются кандидатами на их использование в качестве кубитов квантовых вычислительных и коммуникационных систем. Их основной квантовый параметр, направление вращения или спин, способен сохраняться в течении длительного времени, но до последнего момента не существовало метода, который мог бы обеспечить сильное взаимодействие атомов ядер с фотонами света. Эти два квантовых объекта взаимодействуют очень и очень слабо из-за разницы в их естественных резонансных частотах, которые могут отличаться на шесть-восемь порядков величины.
На диаграмме показано, как два лазерных луча с немного разными длинами волн могут воздействовать на электрические поля, окружающие атомное ядро, воздействуя на это поле таким образом,
что вращение ядра смещается в определенном направлении, как показано стрелкой
© Massachusetts Institute of Technology
Все более ранние попытки осуществления взаимодействия ядер атомов и фотонов света были построены на косвенных методах, на использование электронов, вращающихся вокруг ядра, в качестве своего рода «посредников». Но это, в свою очередь приводило к тому, что наличие в составе кубита лишнего электрона просто приводило к повышению уровня шумов, сводивших на нет все достоинства использования спина ядра атома.
И недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) предложила новый метод, позволяющий создавать кубиты на основе «абсолютно голых» ядер атомов, контролировать их, записывать и считывать информацию при помощи света двух лазеров, несколько отличающихся длиной волны.
Этот метод основан на факте того, что ядра некоторых химических элементов являются электрическими четырехполюсниками, т.е. создаваемое ими электрическое поле имеет четыре ярко выраженных полюса. Разница частот света двух лазеров подбирается так, что она соответствует частоте смены полюсов при вращении ядра атома с его естественной скоростью, и в этом случае возникают достаточно сильные взаимодействия, при помощи которых можно подтолкнуть ядро к вращению в необходимом направлении.
«Этот новый механизм сцепления позволяет и контролировать и измерять направление вращения ядра атома» — пишут исследователи, — «Более того, этот процесс полностью настраиваемый, к примеру, один из лазеров может иметь частоту, используемую в телекоммуникационных системах, что превратит ядро-кубит в своего рода квантовый ретранслятор».
И в заключении следует отметить, что сейчас все описанное выше представляет собой только теоретическую работу. Таким образом, следующий шаг исследователей должен заключаться в создании реального лабораторного устройства, основанного на данном принципе контроля спина ядра атома. Вероятней всего это устройство будет представлять новый вариант квантового спектрографа, который, в отличие от спектрографов Рамана, будет способен дифференцировать изотопы одного и того же химического элемента. И после этого ученые смогут заняться созданием новых типов устройств квантовой памяти, квантовых вычислительных узлов и т.п.
Статья опубликована в журнале Physical Review X
Источник: dailytechinfo.org
