Закрученный луч позволил определять атомы поштучно
Зафиксировать прохождение через прибор всего одного нейтрального атома, мгновенно и практически со 100-процентной точностью. Головоломная задача. Но её ответ однако сравнительно не так давно было обнаружено.
Эксперты, проводящие изучения в таких областях, как химия, квантовые компьютеры и биохимия, радуются: в их арсенале показался ещё один красивый инструмент.
Дабы уловить присутствие чего-либо, необходимо с этим как-то взаимодействовать. Хотя бы при помощи электромагнитных волн. Но тут физика накладывает собственные ограничения.
Это так как лишь в массе «общение» потока и вещества излучения организовать несложнее несложного. Кроме того в микросекундных импульсах лазера число фотонов — чудовищно громадно. А в небольших крупинках исследуемых материалов либо в разнообразных магнитных либо лазерных ловушках, удерживающих облачка атомов, «подопытных кроликов» кроме этого содержится много.
Соответственно — атомы и свет не смогут не встретиться. Вещество так или иначе воздействует на проходящее излучение, поглощает его либо отклоняет, излучает фотоны снова…
Но что делать, в случае если мы ожидаем появления одного-единственного атома? Как совершенно верно определить — пролетел он наконец-то мимо либо ещё нет? Тут необходимо идти на хитрость.
Его величество случай необходимо одурачить, дабы установка гарантировано выдала сигнал. Да ещё дабы сделала это всего за миллионную долю секунды — в 20 раз стремительнее, чем это было вероятно ранее.
Создание квантовых компьютеров, возможно талантливых существенно превзойти простые в быстродействии, немыслимо без манипулирования отдельными атомами. А это предполагает надёжное их детектирование (иллюстрация Joint Quantum Institute).
Как раз о таком впечатляющем достижении группы учёных из американского Объединённого университета квантовой физики (Joint Quantum Institute — JQI) и чилийского университета Консепсьона (Universidad de Concepcion) повествует статья в Nature Physics.
(Кстати, как раз в JQI в январе нынешнего года физики в первый раз телепортировали атом на метр.)
В новом опыте маленькая популяция атомов рубидия была помещена в магнитооптическую ловушку с отверстием в нижней части. Иногда кое-какие атомы покидали эту вакуумную камеру и «проваливались» через 1,5-миллиметровое отверстие в дне, выскакивая на скорости 20 метров в секунду в соседний (расположенный на расстоянии 8 сантиметров) детектор — цилиндр с диаметром и шириной порядка 2 миллиметров.
Полость в него атом пролетал всего за 5 миллионных долей секунды, но за это время в ней очень многое успевало случиться. А что именно — на данный момент заметим.
Ход первый. A – ловушка, поставляющая атомы попеременно; B – отдельные атомы попадают в детектор-резонатор, где взаимодействуют с лучом лазера; C – горизонтально поляризованный луч попадает направляться, где начинает многократно отражаться от торцевых зеркал.
Пропорции и масштаб разных объектов не соблюдены (иллюстрация Joint Quantum Institute).
Датчик, придуманный в Объединённом университете, представляет собой оптический резонатор с двумя параллельными зеркалами с высокой отражающей свойством. Зеркала эти наблюдают друг на друга.
В резонатор направляется луч лазера с длиной волны 780 нанометров и (что есть отличием от сходных ранних опытов) с горизонтальной поляризацией. Луч данный действенно возбуждает атом, заставляя его излучать во всех направлениях. Наряду с этим фотоны, испускаемые атомом, владеют вертикальной поляризацией.
И не смотря на то, что время нахождения частицы между зеркалами мало, оно в 200 раза больше, чем время, нужное ей для перепрыгивания на следующий энергетический уровень и последующего излучения нового фотона. Так что за время полёта один атом успевает выполнить это пара раз, что увеличивает число импульсов, каковые будут доступны для регистрации.
Но это не все уловки. Так как кроме того в обрисованной обстановке вторичный свет от атома будет через чур не сильный для уверенного его различения (необходимо помнить о помехах, в частности случайных фотонах из окружающей среды).
Потому физики решили применить в том же самом устройстве второй способ определения наличия атома — по эффекту Фарадея.
Содержится он в закручивании плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через вещество, находящееся в магнитном поле. Как раз такое поле и создали учёные в оптического резонатора.
Ход второй. A – возбуждённые атомы начинают излучать волны с вертикальной поляризацией; B – зеркала успевают отразить входной пучок тысячи раз; C – магнитное поле, ориентированное параллельно лучу лазера, приводит к повороту плоскости поляризации пучка в присутствии атома (иллюстрация Joint Quantum Institute).
В большинстве случаев про явление Фарадея говорят в связи с громадным числом вещества — для единственного атома, пересекающего луч, эффект будет ничтожным. Но вот тут-то к месту оказываются зеркала резонатора.
До тех пор пока атом рубидия пересекает поле зрения прибора, лучи исходного лазера успевают поскакать между зеркалами 10 тысяч раз. И пускай в каждом случае сотрудничества с атомом отдельные фотоны поворачивают собственную плоскость поляризации на весьма маленькую величину, они наталкиваются на атом снова и снова, и в сумме получается много градусов поворота плоскости. А это существенно увеличивает неспециализированное число фотонов с вертикальной поляризацией (первые из них были взяты в противном случае — в следствии излучения новых фотонов рубидием — не забывайте?).
Набегавшись между зеркалами всласть, суммарный свет покидает полость резонатора и попадает на поляризационный делитель. Тут фотоны с горизонтальной плоскостью поляризации (те, что с пролетевшим атомом никоим образом не взаимодействовали) отправляются по одной дорожке, а «вертикальные» фотоны — по второй. В конце каждой — детекторы, в которых происходит регистрация фотонов по одному, причём для каждого записывается правильное время прибытия.
Соотношение между фотонами первой и второй групп говорит об отсутствии либо присутствии искомого атома.
Разумеется, на наличие вертикально поляризованных волн в данной совокупности смогут воздействовать и внешняя засветка (не обращая внимания на все меры к её устранению — отыщем в памяти — речь-то идёт практически о десятках фотонов) и какие-то случайные процессы. Потому сигналы с обоих датчиков идут неизменно. Но потому, что в новой установке «подопытный» атом создаёт всплеск характерного излучения, его однако возможно выяснить.
Ход третий. A – сотрудничество лазерного луча и атома в присутствии магнитного поля ведет к появлению в выходном пучке (зелёный цвет) двух составляющих с горизонтальной (продемонстрирована жёлтым) и вертикальной (продемонстрирована синим) поляризацией; B — делитель расщепляет луч на эти две составляющие; C — всплеск числа фотонов с вертикальной поляризацией на фоне ровной линии «горизонтальных» фотонов говорит о присутствии атома в детекторе (иллюстрация Joint Quantum Institute).
И вот тут нашлась ещё одна хитрость. Начальник группы Луис Ороско (Luis A. Orozco) поясняет: весьма тяжело было продемонстрировать, что датчик ощущает единственный атом. Но учёные пропустили через совокупность большое число атомов, дабы собрать статистику — какие конкретно как раз «отпечатки пальцев» в виде характерной последовательности прибывающих друг за другом фотонов они оставляют.
А это в это же время разрешило компьютеру совокупности, образно говоря, обучиться различать «на лету» настоящие события (пролёт атома через камеру) и ошибочные сигналы, сравнивая «отпечатки».
«Существующие методы были через чур медленными для детектирования движущихся атомов, в следствии чего было тяжело сделать что-либо с ними перед тем, как они исчезали. Отечественная работа снижает это ограничение скорости, — заявил один из авторов опыта Дэвид Норрис (David Norris). — Помимо этого, в большинстве случаев тяжело совершить различие между настоящим обнаружением и случайными фальшивыми срабатываниями без сбора данных за громадный период времени. Отечественная совокупность фильтрует оба сигнала и уменьшает время обнаружения».
Что же в следствии? «Отечественная установка разрешает в настоящем времени обнаруживать вольно движущийся атом менее чем за микросекунду с уверенностью (точностью) в 99,7%», — отчитываются исследователи. Их коллеги по цеху уже обдумывают, где возможно применить новую установку. А нам остаётся порадоваться за полёт мысли заокеанских экспериментаторов.
