Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сделали важный шаг к «умным» чипам, которые могут уместить сложные лабораторные установки. Эта технология открывает новые горизонты для квантовых вычислений и базовых научных исследований. Их работа опубликована в журнале Optica Quantum.
Что же такого интересного в холодных атомах? Это атомы, которые охлаждены до экстремально низких температур — ниже одной тысячной градусов выше абсолютного нуля, где они прекращают двигаться как горячие атомы. При таких условиях начинаются удивительные квантовые эффекты. Эти атомы отлично подходят для высокоточного измерения времени и навигации, а также могут выступать в роли кубитов — основополагающих единиц информации в квантовых вычислениях.
Раньше для экспериментов с холодными атомами требовалось громадное оборудование: лазеры, линзы, зеркала и магнитные ловушки. Теперь с помощью новой технологии всё это можно разместить на компактном и прочном чипе. Такие чипы смогут работать вне лабораторий — например, в космосе для изучения гравитации, метрологии и, конечно, в квантовых вычислениях.
Ключевой технологией, стоящей за этим достижением, является фотонный интегрированный 3D-MOT (PICMOT). Это усовершенствованная версия традиционных установок для лазерного охлаждения атомов. Ученые использовали кремниево-нитридную платформу, на которой расположены оптические волноводы и дифракционные решётки. Эти элементы позволяют направлять световые лучи, которые нужны для захвата и охлаждения атомов.
Как рассказал профессор Даниэль Блументаль, ведущий исследователь проекта, им впервые удалось создать холодные атомы с помощью интегрированной фотоники. За счёт этого была направлена лазерная энергия через волноводы к трём дифракционным решёткам: они формируют пересекающиеся лазерные пучки шириной 3,5 мм. Благодаря этому взаимодействию с магнитным полем ученым удалось охладить около миллиона атомов до рекордных 250 микрокельвинов.
Эта интеграция 3D-MOT открывает двери для создания компактных квантовых устройств, которые можно будет использовать в космосе для фундаментальных исследований. Будущие версии этих приборов смогут отслеживать изменения в гравитационном поле Земли. Это, в свою очередь, поможет учёным исследовать вулканическую активность, колебания уровня моря и движение ледников.
Кроме того, миниатюризация систем с холодными атомами значительно упростит настройку экспериментального оборудования, что в свою очередь ускорит научные исследования и сделает квантовые технологии более доступными. Так что, если вы думали, что квантовые вычисления — это что-то далекое и неосуществимое, возможно, эти компактные чипы изменят ваше мнение!
