Focusing through coupled multimode fibers for miniaturized single-atom tweezer arrays

La ricerca di computer quantistici pratici e sensori ultra-sensibili si scontra spesso con un ostacolo che non è di natura teorica, ma di dimensioni. Per manipolare le unità più piccole della materia, come i singoli atomi, gli scienziati utilizzano tipicamente le "pinzette ottiche", che sono essenzialmente fasci di luce strettamente focalizzati che agiscono come dita invisibili per tenere fermo le particelle. In un laboratorio, questi fasci vengono solitamente creati facendo passare la luce attraverso grandi e pesanti lenti di vetro. Sebbene efficaci, questi componenti ingombranti sono costosi, fragili e difficili da allineare perfettamente. Se l'attrezzatura si sposta anche solo leggermente, la delicata presa sull'atomo viene persa. Affinché la tecnologia quantistica possa uscire dal laboratorio ed entrare nel mondo reale — ad esempio per garantire comunicazioni sicure o alimentare le reti del futuro — i ricercatori hanno bisogno di sistemi che siano piccoli, leggeri e abbastanza robusti da sopravvivere in ambienti meno controllati.

È qui che la flessibilità delle fibre ottiche offre una soluzione promettente. A differenza delle rigide lenti di vetro, le fibre sono filamenti sottili e pieghevoli che possono guidare la luce su lunghe distanze. Tuttavia, l'uso di una singola fibra per intrappolare gli atomi presenta un limite importante: essa agisce come un singolo tubo, rendendo difficile creare molteplici trappole indipendenti che possano essere spostate rapidamente. Per risolvere questo problema, i ricercatori dell'Università di Durham hanno sviluppato un nuovo metodo utilizzando un tipo speciale di fascio di fibre che permette di creare due trappole separate e controllabili a partire da un unico dispositivo compatto. Il loro lavoro dimostra una strada verso array riconfigurabili di trappole atomiche che potrebbero adattarsi ai piccoli pacchetti richiesti per le applicazioni quantistiche nel mondo reale.

Il team ha iniziato utilizzando un dispositivo noto come accoppiatore fuso (fused coupler), che è essenzialmente due fibre multimodo fuse insieme a un'estremità per formare un unico output. Le fibre multimodo sono uniche perché sono abbastanza larghe da trasportare molti diversi pattern di luce simultaneamente, a differenza delle fibre standard che ne trasportano solo una. I ricercatori hanno collegato due separati fasci laser alle due estremità di ingresso di questo accoppiatore. Per dare forma alla luce all'interno delle fibre, hanno utilizzato un dispositivo a micro specchi digitali (digital micromirror device), un chip coperto da migliaia di minuscoli specchi che possono inclinarsi per dirigere la luce in pattern precisi. Programmano questi specchi, potevano controllare esattamente come le onde luminose interferissero tra loro mentre viaggiavano attraverso la fibra, permettendo loro di focalizzare la luce in un punto stretto all'altra estremità.

Per prima cosa, i ricercatori hanno testato il sistema con un solo canale di ingresso. Hanno programmato gli specchi per creare un singolo punto di luce intenso alla fine della fibra. Hanno misurato la dimensione di questo punto e hanno scoperto che era incredibilmente piccolo, circa 2,00 micrometri di larghezza, ovvero circa le dimensioni di un batterio. Questa dimensione è sufficiente per intrappolare un singolo atomo. Hanno anche verificato come il punto si comportasse muovendo la fibra rispetto alla telecamera, confermando che il fuoco rimaneva nitido e si comportava proprio come farebbe una lente perfetta, nonostante viaggiasse attraverso i percorsi complessi e tortuosi all'interno della fibra.

La vera svolta è avvenuta quando hanno attivato entrambi i canali di ingresso simultaneamente per creare due trappole separate. In passato, cercare di inviare due fasci attraverso una singola fibra causava spesso interferenze tra di essi, creando un pattern di luce disordinato e variabile che avrebbe reso impossibile mantenere due atomi in posizioni stabili e indipendenti. Per prevenire questo, i ricercatori hanno introdotto una leggera differenza nella frequenza, o il "passo" (pitch), della luce in uno dei canali. Questo piccolo scostamento ha fatto sì che l'interferenza tra i due fasci oscillasse così rapidamente che gli atomi, che si muovono molto più lentamente, percepivano semplicemente la media dei due fasci. Il risultato è stato di due trappole distinte e stabili che potevano essere posizionate indipendentmente l'una dall'altra.

Il team ha poi testato quanto bene potessero essere controllate queste due trappole. Hanno programmato il sistema per posizionare i due punti di luce a varie distanze l'uno dall'altro e hanno scoperto che la distanza reale tra le trappole corrispondeva quasi perfettamente ai loro obiettivi previsti. Ancora più importante, hanno testato la resilienza del sistema al disallineamento. In molti sistemi ottici, se la luce che entra nella fibra non è mirata perfettamente, il fascio in uscita si sposta o oscilla. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che, quando hanno deliberatamente disallineato il fascio di ingresso per uno dei canali, la posizione della trappola risultante è cambiata pochissimo. Invece di spostare la posizione, la trappola è diventata semplicemente più debole. Ciò significa che il sistema è altamente tollerante; anche se l'attrezzatura vibra o si sposta leggermente, gli atomi rimangono trattenuti nell'esatto stesso punto, il che è un requisito critico per qualsiasi dispositivo che debba operare in modo affidabile al di fuori di un laboratorio controllato.

I ricercatori hanno anche misurato quanto le due trappole interferissero tra loro. Hanno scoperto che la luce destinata a una trappola filtrava nell'altra a un livello così basso da essere quasi impercettibile, paragonabile al rumore di fondo casuale della telecamera stessa. Questo alto livello di isolamento significa che gli scienziati potrebbero, ad esempio, spegnere una trappola per manipolare un atomo specifico senza disturbare il suo vicino. Sebbene gli esperimenti attuali abbiano utilizzato una potenza relativamente bassa, gli autori sottolineano che il metodo è compatibile con laser molto più potenti, che sarebbero necessari per intrappolare atomi in numeri maggiori.

Questo lavoro stabilisce che gli accoppiatori a fibre fuse possono servire come piattaforma compatta e robusta per la creazione di array di trappole ottiche. Combinando la flessibilità della fibra ottica con la capacità di dare forma alla luce attraverso il controllo digitale, i ricercatori hanno dimostrato un modo per costruire sistemi quantistici che non sono solo più piccoli e meno costosi, ma anche molto più stabili contro urti e scossoni del mondo reale. Il passo successivo per questa tecnologia è utilizzare queste trappole per catturare e disporre atomi reali, aprendo la strada a reti e sensori quantistici che possano essere dispiegati sul campo piuttosto che solo su un banco da laboratorio.