Исследователи из Института физики Университета Сан-Карлос (IFSC-USP) впервые в Бразилии осуществили удержание холодных ионов исключительно с использованием электрического поля посредством ловушки Пауля. Это достижение включало атомы стронция, преобразованные в электрически заряженные частицы и удерживаемые в крайне малой области, что создало национальную экспериментальную платформу для разработки и тестирования кубитов.
Краткое описание работы
Эта работа проводится физиком Амилсоном Рогельсо Фришем, молодым исследователем, поддерживаемым Фондом поддержки исследований штата Сан-Паулу (FAPESP) в рамках программы Quantum Technologies Initiative (QuTIa). Результат был получен после примерно восемнадцати месяцев разработки проекта. Следующий этап будет заключаться в переходе от простого удержания частиц к контролю их квантовых состояний, что необходимо для выполнения операций обработки информации.
В беседе с Olhar Digital Фриш пояснил, что в стране отсутствовал какой-либо эксперимент, посвященный квантовым вычислениям на основе пойманных ионов. Он отметил, что, несмотря на наличие учебных инициатив или проектов, таких как проект профессора Клаудио Ленза Сезара в Рио-де-Жанейро, сосредоточенный на антиматерии, Бразилия нуждалась во собственной инфраструктуре для квантового оборудования. По его словам, наиболее перспективными в настоящее время являются системы с пойманными ионами и сверхпроводники, привлекая как исследования, так и инвестиции, а недавно особое внимание привлекли и системы с нейтральными атомами.
Успех этого проекта также прокладывает путь к применению в высокоточной метрологии. Физик подчеркнул, что в ближайшем будущем бразильский потенциал не ограничится квантовыми вычислениями, но также будет включать измерения точности, особенно в стандарте определения секунды, поскольку оптические часы с пойманными ионами занимают мировой рекорд по точности и стабильности.
Для удержания ионов команда использует ловушку Пауля — технику, разработанную немецким физиком Вольфгангом Паулем в 1950-х годах. Это устройство работает с электрическими полями, осциллирующими на высокой частоте, изменяясь примерно 18 миллионов раз в секунду в эксперименте. Из-за быстрого изменения направления поля ионы не успевают за ним и не могут вырваться, оставаясь в центре под действием средней силы.
Удержание происходит в двух различных измерениях. Поперек осциллирующее электрическое поле предотвращает удаление ионов от центральной оси. Продольно статическое электрическое поле гарантирует, что они не выскочат с концов. Исследователь указал, что самая большая практическая проблема заключается не в генерации осцилляции, а в точном позиционировании и стабилизации атома в центре ловушки. Он подробно рассказал, что основная трудность состоит в размещении иона в центре, поскольку если он отклоняется, он начинает ощущать динамическое поле и принудительно смещается в стороны.
Чтобы смягчить эту проблему, команда Фриша использует вспомогательные статические поля и периодическую настройку для поддержания стабильности системы в течение дня. Когда захватывается несколько частиц, их положительные заряды вызывают взаимное отталкивание, организуя их в небольшую цепь, разделенную всего микронами.
Прежде чем поместить их в ловушку, ученые начинают с нейтральных атомов стронция. Лазерные лучи удаляют электрон из каждого атома, превращая его в положительно заряженный ион. Затем эти частицы конфанируются в камеру сверхвысокого вакуума — среду, критически важную для предотвращения выталкивания ионов или нарушения квантовых состояний путем столкновений с остаточными молекулами.
Хотя камера работает при комнатной температуре, ионы охлаждаются с помощью лазеров. Цель состоит в уменьшении их движения до уровней ниже милликельвина, приближая систему к фундаментальному квантовому состоянию. Меньшая вибрация частиц приводит к большей точности манипулирования их информацией, поскольку чрезмерные тепловые движения могли бы помешать операциям в квантовых состояниях.
Собранные изображения показывают светящиеся точки, соответствующие пойманным ионам, причем каждая точка — это отдельная частица. Возможно контролировать количество ионов, что позволяет работать с одной частицей или с цепочками, состоящими из нескольких. Эта возможность важна, поскольку лазеры могут быть направлены на конкретные ионы, позволяя изменять их состояния, не затрагивая соседей.
Фриш подчеркнул, что высокий уровень изоляции и фокусировка лазера позволяют осуществлять индивидуальное манипулирование с хирургической точностью. Он заявил, что смог сфокусировать лазер очень маленьким пятном и манипулировать только одним ионом в ловушке с точностью выше 99,99%, не влияя на окружающий атом, добавив, что система также поддерживает одновременную работу всей цепочки частиц при необходимости.
Прямая связь с квантовыми вычислениями
Именно здесь эксперимент напрямую связан с квантовыми вычислениями. В то время как в традиционных компьютерах наименьшая единица данных — это бит, принимающий только значения 0 или 1, в системе пойманных ионов два внутренних состояния каждой частицы выполняют эту функцию, образуя кубит. Фундаментальное различие заключается в том, что, согласно законам квантовой механики, кубит может существовать в суперпозиции состояний 0 и 1.
Простая аналогия для иллюстрации этой разницы — сравнить бит с уже упавшей монетой, показывающей орёл или решку. Кубит, с другой стороны, можно сравнить с монетой, пока она вращается. Хотя эта аналогия имеет ограничения, она помогает понять, что квантовое состояние может сочетать оба значения. Однако в момент измерения результат всегда будет 0 или 1.
Другое важное свойство — квантовая запутанность, которая позволяет устанавливать корреляции между двумя или более кубитами, рассматривая систему как единое целое. Квантовые алгоритмы могут использовать эти корреляции, наряду с суперпозицией и интерференцией, для повышения вероятности определенных результатов. Этот подход может принести пользу в специфических задачах, которые трудно эффективно решить с помощью обычных компьютеров.
Это не означает, что квантовые компьютеры будут просто более быстрыми машинами для всех задач. Их потенциал заключается в определенных типах проблем. Среди наиболее исследуемых примеров — моделирование молекул и атомов, что может стимулировать исследования новых лекарств и материалов. Исследователь подчеркнул, что квантовая архитектура разработана для работы с фундаментальной природой материи, утверждая, что решение квантовых проблем будет намного быстрее и осуществимее при использовании квантовых технологий, упомянув также будущие последствия для безопасности данных против мошенничества и сложных финансовых транзакций.
Для достижения этого уровня все еще необходимо доказать, что ионы действительно функционируют как управляемые кубиты. Лазеры с тщательно настроенными частотами позволяют изменять внутренние состояния частиц. Определенные импульсы могут готовить суперпозиции и выполнять операции над кубитами. В цепи с несколькими ионами следующая цель — генерировать запутанные состояния и выполнять последовательности операций, представляющие квантовые вычисления.
Стронций был выбран благодаря своим особенно выгодным характеристикам для данного типа эксперимента. Некоторые его электронные переходы облегчают как охлаждение, так и детектирование ионов. Кроме того, чрезвычайно узкий переход позволяет поддерживать возбужденное состояние достаточно долго, чтобы информация могла быть обработана. Эти атрибуты делают элемент подходящим выбором для экспериментов, требующих точного контроля отдельных частиц.
Прогресс в научном потенциале Бразилии
Постройка ловушки также представляет собой прорыв в научном образовании Бразилии. Хотя страна уже имела прочную базу в нейтральных атомах, консолидация платформы ионов открывает путь для появления нового поколения специалистов. Фриш отметил, что наличие этой технологии в университете позволяет обучать студентов и создавать эту исследовательскую группу, предоставляя квалифицированную рабочую силу для квантовых вычислений — темы, являющейся центральной в текущих исследованиях и промышленности.
Существующая инфраструктура IFSC-USP способствовала этому процессу. Центр исследований оптики и фотоники (CEPOF) под руководством профессора Вандерлей Багнато концентрирует опыт в области оптики, лазеров, вакуумных систем и охлаждения атомов. Эти знания применяются непосредственно в новой линии исследований. Ловушка была изготовлена в Бразилии и установлена в лаборатории института.
Проект начался в декабре 2024 года, первые месяцы были посвящены приобретению оборудования, сборке системы и созданию ловушки. Первым значимым результатом стала подготовка, захват и наблюдение за ионами стронция. Несмотря на то, что эксперимент все еще находится на предварительной стадии и не имеет официальной научной публикации о находке, это достижение закладывает основу для будущих испытаний.
По словам Багнато, этот результат ставит Бразилию в благоприятную отправную точку для дальнейшего развития квантовых вычислений. Он заявил в заявлении, что с успехом удержания ионов бразильские исследования вошли в карту, став одним из необходимых аппаратных средств для прогресса в квантовых вычислениях.
Стоит отметить, что ловушка Пауля еще не является полноценным квантовым компьютером; следующий шаг — использовать пойманные ионы в качестве кубитов и провести первые операции квантовой обработки.
