​​

Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета смогли удержать одиночный атом рубидия в оптическом пинцете в течение сорока секунд. Это один из необходимых этапов при создании отечественного квантового компьютера. Кроме того, удалось зарегистрировать атом в ловушке с помощью видеокамеры,  применив для получения изображения длиннофокусный объектив. Детали эксперимента изложены в журнале «Квантовая электроника»
 
Удержание одного атома в оптическом пинцете или, как его еще называют, дипольной ловушке — первый шаг к созданию массива кубитов и проведению квантовых вычислений. Массив содержит множество атомов, каждый из которых удерживается «своим» оптическим пинцетом. Соответственно, нужно уметь не только захватывать атомы, но и корректно их регистрировать. Электронные состояния холодных атомов могут существовать несколько секунд, это довольно долго в контексте квантовых вычислений и поэтому такие атомы удобны для использования в качестве кубитов. Работой с одиночными холодными атомами занимаются около двадцати научных групп в мире, в России ― только две: в ИФП СО РАН и в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова.
 
«Мы решали сложную проблему, состоящую из нескольких подзадач: во-первых, нужно охладить атомы и уменьшить их скорость, это делается при помощи лазерных пучков — поток фотонов из лазера поглощается атомами и их замедляет. Во-вторых, одиночный атом необходимо захватить в ловушку, которая представляет собой тоже лазерный пучок, но с очень острой фокусировкой ― несколько микрон ― таков характерный размер пятна, в котором удерживается атом. В-третьих, чтобы сфотографировать атом, нужно за короткое время в сотню миллисекунд “зарегистрировать” инфракрасные фотоны, которые атом рассеивает, находясь в ловушке ― примерно 1000 в секунду (это мало ― бытовая видеокамера их не увидит и не почувствует). Условия нашего эксперимента требуют, чтобы захваченные атомы регистрировались за короткое время ― тогда их можно будет использовать в качестве кубитов», ― объясняет старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук, доцент НГУ Илья Игоревич Бетеров.
 
 
 
Зарубежные научные группы для таких регистраций используют высокочувствительные научные EMCCD-видеокамеры с электронным умножением, но они дороги ― стоят около пяти миллионов рублей и, к тому же, с 2015 года не поставляются в Россию. Новосибирские физики работали с научной sCMOS-видеокамерой предыдущего поколения, более низкого класса и существенно более дешевой. Ученые смогли добиться впечатляющих результатов: достоверно зарегистрировали атом с минимальным временем экспозиции ― 50 миллисекунд. Это типично для экспериментов, которые проводят исследователи во Франции, Германии, Корее и других странах, используя более совершенные EMCCD-камеры. В последних экспериментах самое длительное время, в течение которого новосибирские ученые наблюдали одиночный атом ― 40 секунд.
 
«Нам пришлось разместить объектив оптического пинцета, как можно дальше от облака холодных атомов, чтобы они не взаимодействовали со стеклом ― диэлектрической поверхностью. Такой процесс может плохо сказаться на дальнейшем проведении двухкубитовых квантовых операций. Поэтому мы использовали длиннофокусный объектив, но в результате нам было сложнее регистрировать испускаемые атомом фотоны ― их в объектив попадает меньше, когда он находится далеко от атома. К тому же, одиночный атом светится слабо, поэтому все его излучение требовалось сфокусировать на один пиксель матрицы видеокамеры. Однако впоследствии выяснилось, что, если мы просто пытаемся зарегистрировать одиночный атом, то практически ничего не видим на фоне шумов видеокамеры, поскольку лазер пинцета выводит атомы из резонанса с подсвечивающим излучением. Для того, чтобы справиться с этой проблемой, мы выключали дипольную ловушку на очень короткое время ― не более чем на одну миллионную секунды ― за это время одиночный атом не успевает ее покинуть ― и повторяли так в течение нескольких тысяч циклов, накапливая сигнал за время, когда дипольный лазер выключен», ― добавляет Илья Бетеров.
 
По наблюдениям исследователя, работа новосибирского коллектива ― первая, в которой реализовано одновременное использование длиннофокусного объектива и sCMOS-видеокамеры, и результат может быть интересен не только российским физикам.
 
Следующий шаг новосибирских ученых ― научиться выполнять однокубитовые операции с высокой точностью и перейти к двухкубитовым. То есть, если говорить упрощенно, «готовить» из холодных атомов логические элементы квантового компьютера, меняя электронные состояния атома и управляя ими.
 
Исследования поддержаны Российским научным фондом (проект № 18-12-00313), а также Фондом перспективных исследований.
 
Пресс-служба ИФП СО РАН 
 
Фото Ильи Бетерова


Источники

Новосибирские физики смогли захватить одиночный атом и сфотографировать его
Наука в Сибири (sbras.info), 10/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
ТАСС, 10/06/2020
Новосибирские физики захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Новосибирский государственный университет (nsu.ru), 10/06/2020
Новосибирские физики захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 10/06/2020
Новосибирские физики захватили и сфотографировали одиночный атом
National Geographic (nat-geo.ru), 10/06/2020
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Pcnews.ru, 10/06/2020
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Популярная механика (popmech.ru), 10/06/2020
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
News-Life (news-life.pro), 10/06/2020
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 10/06/2020
Атом рубидия захватили в оптическую ловушку
Russia24.pro, 10/06/2020
Ученые из Сибири сделали шаг к созданию российского квантового компьютера
ИА Красная весна (rossaprimavera.ru), 10/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
News2 (news2.ru), 11/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
News-Life (news-life.pro), 11/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
123ru.net, 11/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
Russia24.pro, 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Новосибирский государственный технический университет (nstu.ru), 11/06/2020
Впервые сфотографировать атом удалось физикам из Новосибирска
News-Life (news-life.pro), 11/06/2020
Сибирские физики поймали и сфотографировали одиночный атом
Вести (vesti.ua), 15/06/2020
Атом рубидия поймали в ловушку и сфотографировали
РИЦ Техносфера (technosphera.ru), 11/06/2020
Новосибирские ученые сфотографировали одиночный атом на дешевую камеру
Om1.ru, 11/06/2020
Новосибирские ученые сфотографировали одиночный атом на дешевую камеру
Gorodskoyportal.ru/omsk, 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Поиск (poisknews.ru), 11/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
MediaPotok (potokmedia.ru), 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Newstes.ru, 11/06/2020
Одиночный атом поймали и сфотографировали на дешевую камеру
Яндекс.Новости (yandex.ru/news), 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Новости Науки (sci-dig.ru), 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Newspotok.ru, 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
News-Life (news-life.pro), 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Russia24.pro, 11/06/2020
Новосибирские ученые сфотографировали одиночный атом при помощи дешевой камеры
Planet-today.ru, 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Полит.ру, 11/06/2020
"Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд"
Ivest.kz, 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили атом в ловушку
СПб.Собака.ru (sobaka.ru), 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Портал машиностроения (mashportal.ru), 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Союз машиностроителей России (soyuzmash.ru), 11/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Perm Daily (permdaily.ru), 11/06/2020
Впервые сфотографировать атом удалось физикам из Новосибирска - Хорошие новости из России сейчас
RussiaGoodNews.ru, 11/06/2020
Поймали в ловушку: Новосибирские физики впервые сфотографировали атом
Царьград ТВ (tsargrad.tv), 11/06/2020
Ученые ИФП СО РАН и НГТУ НЭТИ захватили одиночный атом рубидия в оптическую ловушку на длительное время и сфотографировали его
Informio.ru, 11/06/2020
Атом рубидия поймали в ловушку и сфотографировали
Индикатор (indicator.ru), 11/06/2020
Атом рубидия поймали в ловушку и сфотографировали
Seldon.News (news.myseldon.com), 11/06/2020
Впервые сфотографировать атом удалось физикам из Новосибирска
Ndn.info, 11/06/2020
Впервые сфотографировать атом удалось физикам из Новосибирска
Russia24.pro, 11/06/2020
Ученые в Новосибирске "захватили" одиночный атом рубидия в оптическую ловушку
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 14/06/2020
Атом рубидия поймали в ловушку и сфотографировали
Nanonewsnet.ru, 13/06/2020
Новосибирские физики захватили и сфотографировали одиночный атом
Искусственный интеллект ИТ новости (ai-news.ru), 12/06/2020
Российским ученым удалось захватить одиночный атом рубидия в оптическую ловушку и сфотографировать его
Energyland.info, 15/06/2020
Российским ученым удалось захватить одиночный атом рубидия в оптическую ловушку и сфотографировать его
News-Life (news-life.pro), 15/06/2020
Российским ученым удалось захватить одиночный атом рубидия в оптическую ловушку и сфотографировать его
123ru.net, 15/06/2020
Российским ученым удалось захватить одиночный атом рубидия в оптическую ловушку и сфотографировать его
Russia24.pro, 15/06/2020
Российским ученым удалось захватить одиночный атом рубидия в оптическую ловушку и сфотографировать его
Региональная энергетика и энергосбережение (energy.s-kon.ru), 15/06/2020
Одиночный атом рубидия удержали в оптической ловушке в течение сорока секунд
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 16/06/2020

Похожие новости

  • 04/01/2019

    Юбилей академика Александра Васильевича Латышева

    ​Александр Васильевич Латышев родился 4 января 1959 года в г. Булаево Северо-Казахстанской области. В 1981 году окончил Новосибирский госуниверситет по специальности «физика». Далее — в Институте физики полупроводников им.
    1046
  • 30/12/2019

    Квантовый алгоритм на основе ультрахолодных атомов

    ​Новосибирские физики провели исследование квантовых логических операций на основе холодных атомов и изучили оригинальные схемы квантовых вентилей, что имеет значение для построения элементной базы квантового компьютера.
    930
  • 19/03/2020

    Российские и тайваньские физики создали материал на основе нитрида кремния для высокопроизводительной энергонезависимой резистивной памяти

    ​Ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Новосибирского государственного университета, Новосибирского государственного технического университета и Национального университета Чао Тунг (Тайвань) разработали и сравнили элементы резистивной памяти — мемристоры на основе нитрида кремния, синтезированные с помощью двух разных технологий.
    564
  • 05/02/2020

    Институт физики полупроводников СО РАН приглашает на «Открытую лабораторную»

    Международная научно-просветительская акция «Открытая лабораторная» пройдет в Новосибирске 8 февраля на десяти площадках, одна из которых — Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН. Каждый желающий, старше семи лет, сможет проверить свой багаж научных знаний, ответив на вопросы увлекательного теста.
    523
  • 21/05/2019

    «Академический час для школьников»: лекция «Космические технологии полупроводниковых структур»

    ​22 мая в 15:00 в Выставочном центре СО РАН состоится лекция д.ф.-м.н. Олега Петровича Пчелякова «Космические технологии полупроводниковых структур». ​Пчеляков Олег Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Отделом роста полупроводниковых пленок Института физики полупроводников им.
    554
  • 18/10/2017

    Российские ученые напечатали из графена элементы электронных устройств будущего

    Сотрудники Института физики полупроводников СО РАН разработали метод печати надежных устройств для гибкой электроники на 2D-принтере. Для этого они получили новый диэлектрический материал — фторированный графен.
    1405
  • 17/03/2020

    Совместные статьи новосибирских и тайваньских физиков, посвященные созданию нового типа памяти, попали в престижные рейтинги научных работ

    Тематика этих исследований — разработка энергонезависимой резистивной памяти, быстродействие и информационная емкость которой во много раз превышает характеристики флэш-памяти. Материалом для изготовления тестовых элементов новой памяти послужил нестехиометрический оксид кремния (SiOx).
    423
  • 08/05/2020

    Академик Анатолий Ржанов: воин, учёный, учитель

    ​​​К 75-й годовщине Великой Победы в новосибирском Академгородке собирались провести десятки различных мероприятий. Ещё в марте в Доме учёных начались встречи «Учёные фронтовики: через войну в науку».
    488
  • 28/01/2020

    «Открытую лабораторную» проведут в День российской науки

    ​8 февраля состоится четвертая по счету просветительская акция «Открытая лабораторная». Каждый желающий сможет проверить свою картину мира с точки зрения передовых естественно-научных знаний. Поучаствовать в «Лабе-2020» можно будет как офлайн, так и онлайн на сайте laba.
    1280
  • 14/05/2019

    От электрона к фотону: ИФП СО РАН — 55

    ​​Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова появился в результате объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники и Института радиофизики и электроники. С тех пор ИФП СО РАН остается признанным за рубежом и в России лидером в области создания и производства новых высокотехнологичных материалов, интегратором крупных научно-производственных проектов и коммуникационной площадкой для ученых, преподавателей, представителей индустриального и бизнес-сообщества.
    1093