Engineering Zeeman-manifold quintets using state-dependent light shifts in neutral atoms

In de zoektocht naar het bouwen van machines die problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van de huidige computers liggen, kijken wetenschappers vaak naar de kleinste bouwstenen van de natuur. Eén veelbelovend pad houdt in dat individuele atomen worden gebruikt als de basisunits van informatie. Terwijl de meeste huidige inspanningen zich richten op atomen die fungeren als eenvoudige schakelaars die aan of uit staan, streeft een meer geavanceerde aanpak ernaar om atomen te gebruiken die in veel staten tegelijkertief kunnen bestaan. Dit concept, bekend als een qudit, stelt een enkel atoom in staat om meer informatie vast te houden dan een standaard tweestandschakelaar, wat kwantumcomputers potentieel krachtiger en efficiënter kan maken. Om dit te laten werken, moeten onderzoekers in staat zijn om deze meerdere staten met extreme precisie te controleren, door ze aan en uit te zetten of tussen staten te verschuiven zonder de delicate informatie die ze dragen te verliezen. De uitdaging ligt in het vinden van een manier om onderscheid te maken tussen deze vele vergelijkbare staten en ze individueel te manipuleren met instrumenten die zowel snel als zacht genoeg zijn om het atoom niet te verstoren.

Een team van onderzoekers heeft nu een praktische methode voorgesteld voor het creëren en controleren van deze complexe vijfstatiatomen met behulp van strontium, een metaal dat veel voorkomt in vuurwerk en medische beeldvorming. Hun werk, dat gedetailleerd is beschreven in een nieuwe studie, schetst hoe ze een specifieke set van vijf energieniveaus binnen een enkel strontiumatoom kunnen ontwerpen en controleren met een combinatie van magnetische velden en zorgvuldig afgestemd laserlicht. De onderzoekers concentreerden zich op een langdurige, aangeslagen toestand van het strontiumatoom die zijn energie tientallen seconden kan vasthouden, wat een stabiel venster biedt voor berekeningen. Door individuele atomen te vangen in minuscule, gefocuste lichtbundels die optische pincetten worden genoemd, creëerden ze een gecontroleerde omgeving waar deze atomen geïsoleerd en gemanipuleerd konden worden. De kern van hun innovatie is een techniek die een sterk magnetisch veld gebruikt om de vijf energieniveaus enigszins te scheiden, en vervolgens het vanglicht zelf gebruikt om de kloven tussen hen fijn af te stemmen. Dit creëert een uniek "adres" voor elk van de vijf staten, waardoor wetenschappers hen één voor één kunnen targeten met standaard radiofrequentie-signalen, vergelijkbaar met hoe een radio zich afstemt op een specif kind station.

De onderzoekers hebben numeriek aangetoond, door middel van gedetailleerde computersimulaties, dat deze aanpak bijna perfecte controle over de vijf staten kan bereiken. Ze toonden aan dat het mogelijk is om het atoom in een specifieke beginstaat voor te bereiden in minder dan een microseconde, een snelheid die cruciaal is voor het uitvoeren van veel operaties voordat het atoom zijn energie verliest. Eenmaal voorbereid, kon het systeem tussen de verschillende staten roteren met een getrouwheid, of nauwkeurigheid, van ongeveer 99 procent. Deze hoge mate van precisie werd behouden, zelfs bij rekening te houden met imperfecties in de echte wereld, zoals kleine schommelingen in het vermogen van de lasers die worden gebruikt om de atomen te vangen. De simulaties toonden ook aan dat het systeem snel en accuraat uitgelezen kon worden. Door de toestand van het atoom terug te brengen naar zijn grondniveau en een foto te maken, konden de onderzoekers het eindresultaat van een berekening bepalen in minder dan tien microseconden. Deze snelle cyclus van voorbereiding, manipulatie en uitlezing suggereert een pad naar het bouwen van kwantumprocessors die zowel snel als betrouwbaar zijn.

Een belangrijk voordeel van deze methode is het vermogen om de gehele groep van vijf staten als een enkele, coherente eenheid te behandelen. De onderzoekers ontdekten dat door de intensiteit van het vanglicht en de sterkte van het magnetische veld aan te passen, ze ervoor konden zorgen dat radiofrequenties van een specifieke frequentie alleen één paar staten zouden beïnvloeden zonder per ongeluk de andere te verstoren. Deze individuele adresseerbaarheid is essentieel voor het uitvoeren van complexe berekeningen. De studie onderzocht ook hoe atomen in een grote array te controleren, waarbij veel atomen zij aan zij zijn gevangen. Door het licht op alle behalve één atoom iets te dimmen, voorzagen de onderzoekers en simuleerden zij dat ze operaties op een enkel atoom konden uitvoeren zonder de buren te beïnvloeden, een noodzakelijke stap voor het opschalen naar grotere kwantumcomputers. De simulaties voorspelden dat meer dan driehonderd operaties op een enkel atoom konden worden uitgevoerd binnen honderd milliseconden terwijl een hoge nauwkeurigheid behouden bleef.

Het werk steunt op de unieke eigenschappen van strontiumatomen, die een eenvoudige structuur hebben die ze gemakkelijker te modelleren en te controleren maakt in vergelijking met andere elementen. De voorgestelde opstelling gebruikt een magnetisch veld van 100 Gauss om de initiële scheiding tussen de energieniveaus te creëren, en een laserstraal met een golflengte van 1064 nanometer om de atomen te vangen. Het vanglicht is gepolariseerd op een specifieke manier om een kracht te creëren die afhankelijk is van de interne toestand van het atoom, wat het mechanisme is waarmee de energie-intervallen fijn afgestemd kunnen worden. De onderzoekers berekenden dat onder deze omstandigheden de atomen enkele seconden gevangen zouden blijven, wat voldoende tijd biedt voor uitgebreide berekeningen. Ze adresseerden ook het probleem van verwarming, waarbij ze lieten zien dat de atomen gekoeld kunnen worden tot een toestand waarin ze nauwelijks bewegen, wat nodig is om de beweging te voorkomen die de precieze controle die nodig is voor de kwantumoperaties zou vertroebelen.

Hoewel de gepresenteerde resultaten gebaseerd zijn op simulaties in plaats van een fysiek experiment, zijn de gebruikte parameters afkomstig van realistische experimentele mogelijkheden die vandaag de dag al in laboratoria bestaan. De studie suggereert dat de technologie die nodig is om een dergelijk systeem te bouwen binnen bereik is, waarbij enkel de integratie van bekende technieken voor het vangen, koelen en manipuleren van atomen vereist is. De auteurs erkennen dat toekomstig werk de noodzaak zal hebben om hoe deze individuele atomen met elkaar te verbinden om verstrengelde staten te creëren, een noodzakelijke stap voor volledige kwantumcomputingkracht. Ze stellen ook voor dat door de atomen in de array continu aan te vullen, het mogelijk kan zijn om de beperkingen van destructieve uitlezing te overwinnen, waarbij het meetproces de toestand van het atoom vernietigt. Dit zou diepere en complexere berekeningen mogelijk maken.

De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan alleen het bouwen van een snellere computer. Het vermogen om hoogdimensionale kwantumtoestanden te controleren kan leiden tot nieuwe soorten sensoren die gevoeliger zijn voor magnetische velden of tijd dan de huidige apparaten. Het opent ook de deur naar het simuleren van complexe fysieke systemen die moeilijk te modelleren zijn met standaardcomputers, zoals het gedrag van materialen op atomair niveau. Door te bewijzen dat een vijfstatiensysteem met hoge getrouwheid en snelheid gecontroleerd kan worden, hebben de onderzoekers een blauwdruk geleverd voor een nieuwe generatie kwantumtechnologieën. De studie benadrukt strontium als een bijzonder veelbelovend platform, dat een balans biedt tussen lange stabiliteit en snelle werking die moeilijk te vinden is in andere atomaire systemen. Terwijl het gebied van kwantumcomputing zich blijft ontwikkelen, zullen methoden zoals deze, die abstracte concepten in concrete, controleerbare systemen veranderen, essentieel zijn om theoretische mogelijkheden in praktische realiteit te veranderen. De weg vooruit houdt in: het verfijnen van deze technieken, het testen ervan in het laboratorium, en uiteindelijk het opschalen naar vele atomen die samenwerken. Het potentieel van een dergelijk systeem om de manier waarop we informatie verwerken en de fysieke wereld begrijpen te revolutioneren, blijft een dwingende visie voor de toekomst van de wetenschap.