Квантовая физика требует высокоточных сенсорных методов для более глубокого изучения микроскопических свойств материалов. Из появившихся в последнее время аналоговых квантовых процессоров квантово-газовые микроскопы оказались мощными инструментами для понимания квантовых систем на атомном уровне. Эти устройства создают изображения квантовых газов с настолько высоким разрешением, что можно наблюдать отдельные атомы.
Исследователи из испанского Института фотонных наук (ICFO) рассказали, как они создали свой собственный квантово-газовый микроскоп под названием QUIONE. Квантово-газовый микроскоп группы — единственный в мире, который позволяет получить изображения отдельных атомов квантового газа стронция, а также первое устройство подобного типа в Испании, пишет Phys.org.
Помимо создания впечатляющих изображений, на которых можно различить отдельные атомы, QUIONE поможет в работе с квантовым моделированием. «Квантовое моделирование можно использовать для сведения очень сложных систем к более простым моделям, чтобы понять открытые вопросы, на которые современные компьютеры не могут ответить, например, почему некоторые материалы проводят электричество без каких-либо потерь даже при относительно высоких температурах», — уточняют испанские ученые.
С помощью своей разработки команда из ICFO смогла привести газ стронций в квантовый режим. Ученые поместили его в оптическую решетку, где атомы могли взаимодействовать посредством столкновений, а затем применили методы визуализации одиночных атомов. Подобные возможности делают стронциевый квантово-газовый микроскоп ICFO уникальным.
Ранее микроскопические установки основывались на щелочных атомах, таких как литий и калий. Они имеют более простые свойства с точки зрения оптического спектра по сравнению с атомами щелочноземельных металлов, такими как стронций. Это означает, что стронций предлагает больше возможностей для экспериментов. Уникальные свойства стронция сделали его очень популярным элементом для приложений в области квантовых вычислений и квантового моделирования. Например, облако атомов стронция можно использовать в качестве атомного квантового процессора, который сможет решать проблемы, выходящие за рамки возможностей современных классических компьютеров.
В ходе экспериментов ученые снизили температуру газа стронция. Используя силу нескольких лазерных лучей, они уменьшили скорость атомов до такой степени, что они оставались практически неподвижными, а их температура снизилась почти до абсолютного нуля всего за несколько миллисекунд. После этого их поведением стали управлять законы квантовой механики, и атомы проявили новые свойства, такие как квантовая суперпозиция и запутанность. После этого с помощью специальных лазеров исследователи активировали оптическую решетку, которая удерживает атомы в сетке в пространстве.
Вы можете представить это как коробку для яиц. Но вместо яиц у нас есть атомы, а вместо коробки у нас есть оптическая решетка.
Атомы в чашке для яиц взаимодействовали друг с другом, иногда испытывая квантовое туннелирование, перемещаясь из одного места в другое. Эта квантовая динамика между атомами имитирует динамику электронов в некоторых материалах. Следовательно, изучение этих систем может пролить свет на сложное поведение некоторых материалов, что является ключевой идеей квантового моделирования.
Исследователи сделали изображения с помощью микроскопа, как только газ и оптическая решетка были готовы, и наконец смогли наблюдать атом за атомом квантового газа стронция. В дополнение к фотографиям они сняли атомы на видео и смогли заметить, что, хотя атомы должны оставаться неподвижными во время изображения, они иногда перепрыгивают на ближайший узел решетки. Это можно объяснить явлением квантового туннелирования.
«Это очень волнующий момент для квантового моделирования, — заключают специалисты. — Теперь, когда мы добавили QUIONE в список доступных квантово-газовых микроскопов, мы, возможно, вскоре смоделируем более сложные и экзотические материалы. Тогда ожидается возникновение новых фаз материи. И мы также ожидаем получить гораздо больше вычислительных данных, позволяющих использовать эти машины в качестве аналоговых квантовых компьютеров».
Ранее ученые предложили создать надежные пароли с помощью ДНК.