Внутренние состояния нейтральных атомов, находящихся в узлах оптической решетки при температуре ~ 10 мкК, предполагается использовать в качестве логических состояний квантовых битов (кубитов) для проведения квантовых вычислений.

Межатомные взаимодействия, приводящие к перепутыванию состояний различных кубитов, могут изменяться в широких пределах [1], а взаимодействие атомов с внешним окружением настолько слабое, что время сохранения когерентности достигает ~ 1с. Ранее сообщалось о создании одномерных и двумерных оптических решеток, в каждом узле которых находится сразу несколько атомов [2,3], а также небольших (< 7 атомов) систем с однократным заполнением узлов [4,5].

Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами квантового компьютера перед классическим, число кубитов нужно довести хотя бы до ~ 100 и расположить их как можно более компактно, чтобы облегчить межкубитные взаимодействия. Для этого очень пригодились бы трехмерные оптические решетки с контролируемым заполнением узлов атомами.

В работе [6] американские физики из Pennsylvania State University изготовили кубическую оптическую решетку, около половины узлов которой занята одиночными атомами цезия, охлажденными до T » 10 мкК, а другие узлы вакантны (рис.1). Период решетки 4.9 нм. Высота U₀ энергетических барьеров, разделяющих соседние минимумы потенциала решетки, регулируется путем изменения мощности W лазерных пучков, формирующих решетку. В центре решетки она составляет U₀/k_B = 165 мкК при W = 60 мВт. Послойная (в каждой отдельно взятой кристаллической плоскости) визуализация атомов проводилась путем анализа рассеяния охлаждающего лазерного излучения с использованием CCD (charge-coupled device). Было установлено, что атомы, расположенные в центральной части решетки (всего около 250 атомов), не изменяют своих позиций за время наблюдения. Вместе с тем, атомы на периферии решетки (где величина U₀ меньше (рис.1b)) перескакивают с узла на узел за счет термической активации (вероятность квантового подбарьерного туннелирования атомов при заданных параметрах потенциала решетки пренебрежимо мала).

Рис.1. a) Трехмерная оптическая решетка создается тремя парами лазерных пучков; угол между пучками в каждой паре q = 10^о; b) Закрашенные кружки – атомы в узлах кубической кристаллической решетки; пустые кружки – узлы, не занятые атомами (вакансии); c) Потенциальный рельеф вдоль одной из осей оптической решетки. Атомы находятся вблизи минимумов потенциала. Высота энергетических барьеров изменяется вдоль решетки из-за сужения лазерного пучка и максимальна в центре решетки

Зависимость скорости перескока Г от U₀ авторы [6] определяли путем понижения U₀ в одном кристаллическом направлении (за счет уменьшения мощности соответствующей пары лазерных пучков) и непосредственного подсчета числа перескоков за 1 мин. Как и ожидалось, величина Г экспоненциально уменьшается с ростом U₀ (рис.2). Экстраполяция к U₀/k_B = 165 мкК дает Г » 5×10^-6 с^-1, что соответствует макроскопическому (несколько суток) времени пребывания атомов в узлах решетки.

Рис.2. Скорость термоактивированных перескоков атомов между соседними узлами оптической решетки как функция высоты разделяющего их энергетического барьера (деленной на постоянную Больцмана) при T = 10 мкК.

Существенно, что использованная в [6] методика визуализации является «неразрушающей»: заполнение узлов атомами не меняется после «взгляда» на решетку. Достоверность определения того, занят данный узел или свободен, очень велика: вероятность ошибки составляет 3×10^-4, и ее можно уменьшить до 10^-7 путем получения повторного изображения. Оценка времени декогерентизации дает ~ 0.3 c. Это время можно увеличить до ~ 100 с, если охладить атомы до еще более низких температур (притом, что время одной квантовой операции ~ 10^-5 с). Большие межатомные расстояния существенно облегчают индивидуальную адресацию кубитов и «чтение» результата квантового вычисления. Трехмерная геометрия способствует созданию сложных запутанных состояний нескольких кубитов, в том числе так называемых кластерных состояний. В дальнейшем авторы [6] планируют отладить процедуру заполнения всех вакантных узлов решетки, чтобы сделать систему атомов-кубитов еще более компактной.

• O.Mandel et al., Nature 425, 937 (2003).
• D.Boiron et al., Phys. Rev. A 57, R4106 (1998).
• R.Scheunemann et al., Phys. Rev. A 62, 051801 (2000).
• S.Bergamini et al., J. Opt. Soc. Am. B 21, 1889 (2004).
• Y.Miroshnichenko et al., Nature 442, 151 (2006).
• K.D.Nelson et al., Nature Phys. 3, 556 (2007).