Az UC Santa Barbara kutatói azon dolgoznak, hogy a hideg atomok kvantumkísérleteit és alkalmazásait a laboratóriumi asztalokról chip-alapú rendszerekre hozzák át. A hideg atomok új lehetőségeket nyitnak a mérés, a precíz időmérés, a kvantum számítás és az alapvető tudományos mérések terén. „A határvonalon vagyunk” – mondta Daniel Blumenthal, az elektrotechnikai és számítástechnikai tanszék professzora.
Blumenthal, valamint Andrei Isichenko, a diplomás hallgató kutató és Nitesh Chauhan, a posztdoktori kutató, a hideg atomok csapdázásának és hűtésének legújabb fejleményeit és jövőbeli irányait vázolják fel, amelyek alapvetőek e kísérletekhez, és amelyek lehetővé teszik, hogy a technológia olyan eszközökhöz jusson el, amelyek elférnek a tenyerünkben.
A hideg atomok kvantumhatásai
A hideg atomok olyan atomok, amelyeket nagyon alacsony hőmérsékletre, 1 mK alá hűtöttek, csökkentve mozgásukat egy alacsony energia állapotba, ahol a kvantumhatások megjelennek. Ez érzékennyé teszi őket a leggyengébb elektromágneses jelekre és alapvető részecskékre, valamint ideális időmérő, navigációs eszközökké és kvantum qubitekké a számítástechnikában.
Ahhoz, hogy ezeket a tulajdonságokat kiaknázzák, sok kutató jelenleg nagyon érzékeny laboratóriumi atomoptikai rendszerekkel dolgozik, hogy a hideg atomokat csapdába ejtsék, hűtsék és korlátozzák. Hagyományosan ezek a rendszerek szabad térben működő lézereket és optikát használnak, amelyek fénysugarakat generálnak, amelyeket lencsék, tükör és modulátorok irányítanak és manipulálnak. Ezeket az optikai rendszereket mágneses tekercsekkel és vákuumban lévő atomokkal kombinálják, hogy létrehozzák a hideg atomokat a mindenütt jelenlévő 3D-s magneto-optikai csapdával (3D-MOT).
Fontos mérföldkő a kvantum számítástechnikában
Belépve a kutatók fotonikus integrált 3D-MOT-jába, ez a miniaturizált változata a kísérletekben széles körben használt berendezéseknek, amelyek fénysugarakat biztosítanak az atomok lézeres hűtéséhez. Egy alacsony veszteségű szilícium-nitrid hullámguides integrációs platformba ágyazva, ez a fotonikus rendszer generálja, irányítja, bővíti és manipulálja az összes szükséges fényt a hideg atomok csapdázásához és hűtéséhez.
A felülvizsgálati cikk hangsúlyozza a fotonikus integrált 3D-MOT-ot – vagyis a „PICMOT”-ot, amelyet az UC Santa Barbara csapata a terület egyik fontos mérföldkövének tekint.
„A fotonikával lézereket készíthetünk chipen, modulátorokat chipen, és most nagy területű rács-emittereket, amelyeket arra használunk, hogy fényt kapjunk be és ki a chipről” – mondta Isichenko. Különösen érdekes az atomcell, egy vákuumkamra, ahol az atomokat csapdába ejtik és hűtik. A kutatók által elért egyik teljesítmény az volt, hogy az optikai szálból származó bemeneti fényt, amely vékonyabb a haj szélességénél, hullámguidakon keresztül három rács-emitterhez irányították, amelyek három kolimált szabad térben metsző fénysugarat generálnak, 3,5 mm szélességben.
„Első alkalommal hoztunk létre hideg atomokat integrált fotonikával” – mondta Blumenthal.
A jövőbeli kutatási projektek előmozdítása
A kutatók hideg atomokkal kapcsolatos újításainak következményei messzemenők. A tartósság és a funkcionalitás terén tervezett fejlesztésekkel a jövőbeli chip-alapú MOT tervek kihasználhatják a fotonikus komponensek széles választékát, beleértve a chip-alapú lézerekkel kapcsolatos legfrissebb eredményeket is. Ez felhasználható a vulkáni aktivitás, a tengerszint-emelkedés és a gleccserek mozgásának mérésére a gravitációs gradiensek érzékelésével a Földön és környékén.
A 3D-MOT integrálása új módszereket adhat a kvantumtudósoknak és időmérőknek, hogy a mai földi eszközöket az űrbe küldjék, új alapvető tudományos kísérleteket végezzenek, és olyan méréseket végezzenek, amelyek Földön nem lehetségesek. Ezenkívül az eszközök elősegíthetik a kutatási projekteket azáltal, hogy csökkentik az optikai beállítások létrehozásához és finomhangolásához szükséges időt és erőfeszítést. Ezek a jövőbeli fizikákkal foglalkozó diákok számára elérhető kvantumkutatási projektek kapuját is megnyithatják.
Érdekesség: A hideg atomok kutatása nemcsak a kvantum számítástechnikában, hanem az időmérés pontosságának javításában is forradalmasíthatja a tudományt.
Források: UC Santa Barbara, Daniel Blumenthal, Andrei Isichenko, Nitesh Chauhan kutatási anyagai
