Аннотация:
В настольном теннисе или футболе высокоскоростная вращающаяся сфера «петлевой мяч» рисует изогнутую траекторию из-за разницы в потоке воздуха. Это классическое физическое явление называется эффектом Магнуса. Недавно международная исследовательская группа под руководством ученых из Института Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии опубликовала в академическом журнале Physical Review Letters статью, в которой объявила, что впервые соответствующий «оптический эффект Магнуса» был непосредственно обнаружен с использованием лазеров и одиночных ионов в чрезвычайно микроскопическом масштабе.
Это явление показывает, что в точке сильного взаимодействия между высокофокусированным лазером и кубитом существует крошечный боковой сдвиг в сотни нанометров. Это открытие имеет важное научное значение для повышения точности управления квантовыми компьютерами с ионными ловушками.
Обычно интуитивно считается, что интенсивность света наибольшая в центре лазерного луча, а взаимодействие с атомами также должно быть наиболее интенсивным в центре луча. Однако когда лазерный свет фокусируется очень плотно, его пространственная структура электромагнитного поля претерпевает сложные микроскопические изменения. Физики-теоретики из Амстердамского университета несколько лет назад предсказали, что это изменение поля световой волны приведет к тому, что самая сильная точка взаимодействия лазера с атомами окажется не в центре светового пятна, а немного в стороне, что проявляется как эффект Магнуса на оптическом уровне.
Чтобы уловить это чрезвычайно слабое физическое явление в эксперименте, исследовательская группа использовала электромагнитные поля для иммобилизации отдельных ионов кальция в ионной ловушке в камере сверхвысокого вакуума. В квантовых вычислениях захваченные ионы часто используются в качестве кубитов для выполнения вычислений, а точно настроенные лазерные импульсы являются центральным инструментом для изменения их квантовых состояний. В ходе эксперимента исследователи перемещали высокосфокусированный лазерный луч относительно ионов кальция и точно измеряли интенсивность взаимодействия ионов со световым полем в разных пространственных координатах. Используя ионы кальция в качестве микроскопического зонда, они успешно измерили крошечное боковое смещение всего в несколько сотен нанометров.
Эксперимент также выявил неожиданное физическое свойство: точная величина этого бокового смещения зависит только от длины волны используемого лазера, а не от того, насколько сильно сфокусирован лазерный луч. Для квантовых компьютеров с ионной ловушкой, которые полагаются на точные лазерные лучи для воздействия на отдельные кубиты и управления квантовыми логическими вентилями, если «эксцентрическое» смещение в сотни нанометров игнорируется в алгоритме и оптическом выравнивании, лазер может не действовать точно на намеченную цель, тем самым внося систематические ошибки в непрерывные высокоточные квантовые операции.
Филип Лейндекер, первый автор исследования и научный сотрудник факультета физики и Института Пауля Шерра в ETH Цюрихе, также отметил, что этот эффект представляет собой не только отрицательную интерференцию, но и генерируемую им микроскопическую электромагнитную силу, как ожидается, также будет использоваться в качестве нового физического механизма, помогающего в достижении контролируемой связи между соседними кубитами, тем самым предоставляя новые экспериментальные способы выполнения более сложных квантовых логических операций. Это достижение не только подтвердило давние теоретические гипотезы на уровне базовой квантовой оптики, но и установило важный эталон параметров для калибровки оптической системы высокоотказоустойчивого квантового оборудования с ионной ловушкой следующего поколения.
Комментарии