Atomer på rad og række til kvantecomputer-netværk
For at udvikle fremtidens kvantecomputer-netværk er det nødvendigt at kunne fastholde et kendt antal atomer og aflæse dem uden de forsvinder. Til det har forskere fra Niels Bohr Institutet udviklet en metode med en fælde, der fanger atomerne langs en ultratynd glasfibertråd, hvor atomerne kan kontrolleres. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.
i kvanteoptik-laboratoriet på Niels Bohr Institutet, hvor de har udført eksperimenterne.
Forskningen foregår i kvanteoptiklaboratoriet i kælderen under Niels Bohr Institutet i København. Det underjordiske laboratorium er tilbagetrukket fra vejen, så der ikke er rystelser fra trafikken. Her har forskerne opbygget eksperimenter, hvor de kan lave ultrasensitive forsøg med kvanteoptik.
”Vi har en ultratynd glasfibertråd med en diameter på en halv mikro-meter (en hundrededel mindre end et hårstrå). Langs denne glasfibertråd fanger vi cæsium-atomer. De køles ned med laserlys til 100 mikro-grader Kelvin – det er næsten det absolutte nulpunkt, som svarer til minus 273 grader Celcius. Dette system virker som en fælde, der fastholder atomerne på siden af glasfibertråden”, fortæller Jürgen Appel, lektor i forskningsgruppen Quantop på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.
Atomer og lys knyttes sammen
Eksperimentet foregår i en glascelle med meget lavt tryk. Herinde er der en ultratynd udspændt glasfibertråd og en gas af cæsiumatomer. Ved hjælp af laserlys og et magnetfelt køles atomerne ned til næsten det absolutte nulpunkt (minus 273 grader Celcius), og atomerne samler sig som en sky omkring glasfibertråden. Derefter sendes to laserstråler med meget forskellig frekvens ind i fiberen, og dermed fastholdes en del af atomerne som to perlerækker langs med glasfibertråden. Nu sendes yderligere to laserlysstråler med lidt forskellig frekvens gennem glasfibertråden, og ved at måle forskellen i lyshastighed for de to lysstråler på hver side af atomernes absorberingslinjer, kan man måle antallet af atomer tæt på glasfibertråden. (Credit: Niels Bohr Institutet).
Når der sendes lys gennem glasfibertråden, vil lyset også bevæge sig langs med overfladen, fordi fiberen er tyndere end lysets bølgelængde. Der vil derfor blive skabt en stærk vekselvirkning mellem lyset og atomerne, som sidder tæt på overfladen af fiberen.
”Vi har udviklet en metode, hvor vi kan måle antallet af atomer. Vi sender to laserlysstråler med forskellig frekvens gennem glasfibertråden. Hvis der ikke var atomer på glasfibertråden, ville lyshastigheden være den samme for begge lysstråler. Men atomerne påvirker de to frekvenser forskelligt, og ved at måle forskellen i lyshastighed for de to lysstråler på hver side af atomernes absorberingslinjer, kan man måle antallet af atomer på glasfibertråden. Vi har vist, at vi kan fastholde 2.500 atomer med en usikkerhed på kun otte atomer”, siger Jürgen Appel.
Det er et fantastisk godt resultat. Uden denne metode ville man være nødt til at bruge resonant lys (lys, der absorberes af atomerne), og så ville man sprede fotonerne, hvilket ville sparke atomerne ud af fælden, fortæller Jürgen Appel og forklarer, at med denne nye metode kan de måle og kontrollere atomerne, så kun 14 procent bliver sparket ud af fælden og bliver tabt.
”Vores opløsning er kun begrænset af den naturlige kvante-støj (laserlysets egne minimale svingninger) så vores metode vil kunne anvendes til såkaldte sammenfiltrede tilstande (entangled states) af atomer på glasfibertråden. Sådan et sammenfiltret system mellem atomer som vekselvirker stærkt med lys er af stor interesse for fremtidige kvantecomputer-netværk”, pointerer Jürgen Appel.
- Artikel i Physical Review Letters >>
Highlight article in Physical Review Letters >> - Artikel på Arxiv >>
Jürgen Appel, lektor, Quantop, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, 3532-5300, 5312-3678, jappel@nbi.ku.dk