Исследователи из Национального института стандартов и технологий предложили новый подход к изучению взаимодействия атомов и света, который может помочь в создании устойчивых квантовых систем. Это открытие имеет важное значение для развития квантовых технологий, включая быстрые вычисления и безопасную связь. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
Взаимодействие между атомами и светом лежит в основе поведения физического мира, но при этом остается крайне сложным для понимания и управления. Новое исследование ученых было посвящено изучению этих взаимодействий в системах с многоуровневыми атомами, что может привести к созданию устойчивых квантовых состояний.
Обычно для упрощения модели ученые рассматривают атомы как системы с двумя уровнями: основным и возбужденным. Однако в реальности атомы могут иметь больше уровней, что значительно усложняет динамику системы. В новом исследовании команда под руководством Аны Марии Рей, профессора физики Университета Колорадо в Боулдере, и Джеймса Томпсона, сотрудника Национального института стандартов и технологий, изучила взаимодействие атомов и света в системах с четырьмя уровнями энергии.
«Мы знаем, что учет многоуровневой структуры атомов может привести к новым физическим явлениям, которые полезны для генерации запутанных состояний», — объяснил Сана Агарвал, соавтор исследования. — «Запутанные состояния являются ключевым элементом квантовых технологий, таких как вычисления и безопасная связь».
В эксперименте ученые использовали атомы стронция, размещенные в одномерных и двумерных кристаллических решетках. Они сосредоточились на метастабильных уровнях энергии, где атомы могут находиться длительное время, что позволяет сохранять запутанные состояния даже после выключения лазера.
«Мы планируем создать в нашей лаборатории условия для перевода атомов в возбужденное состояние, которое существует очень долго», — сообщил Джеймс Томпсон. — «Это позволит использовать переход с длиной волны 2,9 микрона, что значительно больше, чем расстояние между атомами в оптической решетке. Такой подход обеспечит сильное и программируемое взаимодействие между атомами».
Исследователи также разработали модель, которая описывает динамику системы. В будущем команда планирует изучить более сложные многоуровневые системы, например, с использованием атомов стронция, имеющих до 10 основных и возбужденных уровней. Это может открыть новые возможности для создания программируемых квантовых систем и распределения запутанности.
«Мы приближаемся к системам, которые могут устойчиво поддерживать запутанность, что является важным шагом для будущих квантовых технологий», — заключил Агарвал.
