Квантовая кухня: с резонатором квантовые состояния готовятся быстрее

Перспективными объектами для квантовых вычислений являются одиночные нейтральные атомы. Нейтральные атомы, в отличие от ионов, не отталкиваются электростатически, что позволяет увеличить плотность кубитов. Атомы захватываются оптическим пинцетом. В оптической ловушке формируют и считывают квантовые состояния: под воздействием лазерного излучения атом переходит в нужное состояние, а для считывания детектируют его флуоресценцию. Однако время жизни атома в определенном состоянии достаточно велико, и время измерений будет большим, что ограничивает скорость передачи информации в сетях квантовых вычислений.

В недавней статье ученых из Univ. of Science and Technology of China (Китай) [1], предложен метод ускорения этого процесса. Метод основан на взаимодействии атома со специально созданным резонатором Фабри-Перо. Это взаимодействие обусловлено эффектом Парселла (Purcell effect), заключающемся в увеличении вероятности спонтанного излучения, а также безызлучательных переходов осциллятора, помещенного в резонатор высокой добротности.

В эксперименте (рис.1) атом рубидия помещали в оптическую ловушку, создаваемую двумя сфокусированными через систему конфокальных линз лазерными лучами. Атом охлаждается с помощью так называемого сизифова охлаждения, в котором атом подобно мифическому персонажу вынужден раз за разом подниматься к вершинам периодического потенциального рельефа, теряя кинетическую энергию, а затем под оптическим воздействием “охлаждающих” лазеров снова оказывается на дне. Зондирующие лучи используются для перевода атома в возбужденное состояние. Вдоль оси z приложено магнитное поле, снимающее вырождение состояний атома за счет эффекта Зеемана. Резонатор Фабри-Перо состоит из глухого зеркала, полностью отражающего свет, и полупрозрачного зеркала, через которое выводится излучение флуоресценции. Резонатор настроен на частоту перехода исследуемого квантового состояния.

Для демонстрации влияния эффекта Парселла исследователи измерили временные и спектральные характеристики флуоресценции. На рис.2. представлен график зависимости интенсивности флуоресценции от времени для атома в ловушке без резонатора и с резонатором. По графику рассчитано, что в системе с резонатором флуоресценция затухает в 10 раз быстрее, чем без резонатора.

Таким образом, уменьшается и время считывании информации о квантовом состоянии. В работе проведены расчеты динамики количества фотонов и надежности считывания состояния. Время считывания состояния с надежностью 99,2% составило 200 нс.

Проведенные исследования, возможно, станут одним из драйверов дальнейшего использования нейтральных атомов в качестве кубитов в квантовых компьютерах. В конце прошлого года российские ученые из МГУ им. Ломоносова и Российского квантового центра уже создали квантовый компьютер на атомах рубидия [2], и безусловно, нас ждет дальнейшее техническое усовершенствование этих систем.

З. Пятакова

1. J.Wang et al., Phys. Rev. Lett. 134, 240802 (2025).

2. https://cqt.phys.msu.ru/ru/press/news/2025-01/quantum-computer-prototype

ПерсТ, 2025, том 32, выпуск 6

Источник: cqt.phys.msu.ru

Комментарии: