Википедия

Современная квантовая физика умеет манипулировать отдельными атомами и работать с отдельными фотонами. Устройства, которые совмещали бы обе способности, существовали и раньше, но они были довольно громоздкими. Международный коллектив физиков впервые смог реализовать эти две квантовые технологии в едином атомно-фотонном устройстве микронных размеров. Авторы работы добились рекордной отражательной способности от одного-единственного атома, что открывает новые перспективы для создания квантовых сетей и проведения квантово-механических экспериментов.

Впечатляющие достижения экспериментальной физики не только открывают перед нами новые грани нашего мира, но и составляют основу многочисленных наукоемких технологий. В подавляющем большинстве случаев эти достижения реализованы на крупных установках, под которые выделены отдельные лабораторные залы, а иногда и целые здания или даже лабораторные центры. Это всё естественно для ситуаций, когда технология реализуется впервые. Однако по мере того, как она отрабатывается и демонстрирует свою эффективность, возникает желание ее миниатюризировать.

У этого желания есть два аспекта — прикладной и фундаментальный. Прикладной всем понятен: если новая технология работает, то хочется ее использовать повсеместно, не требуя при этом создания с нуля специальной лаборатории. Использующие эту технологию устройства должны быть компактными, желательно даже переносными, относительно дешевыми, удобными для сборки и не слишком требовательными к внешним условиям. Это должна быть своеобразная «лаборатория на чипе» — компьютеризированное миниатюрное устройство, которое способно выполнять разнообразные манипуляции с веществом, светом или даже с живыми клетками и тут же самостоятельно исследовать их результат.

Сообщения о новых устройствах такого типа регулярно появляются в научной литературе; существует даже отдельный научный журнал, который так и называется Lab on a Chip. Самое понятное для широкой публики применение — это экспресс-анализ биологических образцов, например анализ крови. Однако эта деятельность не ограничивается одними лишь медицинскими приложениями; например, совсем недавно мы писали про технологию ускорителя-на-чипе, а также про применение бозе-конденсата для трехмерного картографирования магнитного поля с микронным разрешением.

Кроме чисто прикладного аспекта, миниатюризация устройств нужна и для исследований в фундаментальной физике. Просто потому, что в микро- и наноустройствах можно реализовать физические системы, которые на макроскопических масштабах сделать трудно.

Рис. 2. Квантовая сеть — это набор элементарных квантовых узлов, которые обмениваются информацией по настраиваемым каналам. Для экспериментальной реализации такой сети на основе отдельных атомов и фотонов неизбежно придется разрабатывать новые устройства на пересечении нанофотоники и атомной физики. Изображение из статьи H. J. Kimble, 2008. The quantum internet

Например, одной из прорывных тем последних десятилетий стала манипуляция отдельными атомами и фотонами. Она открыла возможности для регистрации и тонкого управления квантовыми состояниями атомов и фотонов и, как следствие, сделала доступным экспериментальное исследование глубинных основ квантовой механики. Нобелевская премия по физике за 2012 год была вручена как раз по этому направлению. В таких экспериментах физики могут помещать в магнитную или полностью оптическую ловушку отдельный атом, который может взаимодействовать с фотонами, изменять свое состояние или же, наоборот, влиять на состояние фотона.

Предположим, однако, что вы не хотите ограничиваться одним атомом или одним фотоном, а хотите создать атомно-фотонную реализацию квантовой сети (рис. 2). Это будет этакий аналог электронной микросхемы, в которой информация будет записываться в квантовом состоянии отдельных атомов, а передаваться она будет не электрическим током, а фотонами. Для успешной работы такая сеть должна обладать некоторыми ключевыми свойствами. Во-первых, информация в ней должна передаваться между произвольными атомами, а не только ближайшими соседями, и при этом произвольно настраиваться — ведь вы сами проектируете эту информационную сеть так, как вы считаете нужным. Во-вторых, атомы должны не только чувствовать фотоны, но и сами уметь ими управлять, что позволит реализовать в этой атомно-фотонной сети элементарные логические элементы.

Подобные устройства нужны не только для реализации эффективного квантового компьютера — несмотря на «раскрученность» темы, эта перспектива выглядит пока что довольно отдаленной. Они нужны и для решения сиюминутных задач физиков, например для аккуратного моделирования квантовой эволюции в цепочке спинов с настраиваемым законом взаимодействия между отдельными спинами.

Обычная установка по изучению взаимодействия атомов и света для этой цели не подойдет. Если вы будете удерживать в одной ловушке цепочку из пространственно разнесенных атомов (а такие эксперименты ставятся давно), между этими атомами не удастся наладить требуемую связь, поскольку они будут находиться в общем световом поле. Если же их разнести по разным ловушкам и передавать фотоны по оптоволокну, то установка станет слишком громоздкой, со всеми сопутствующими сложностями. Но даже в этом случае передача фотонов от атома к атому будет проблематичной: ведь когда атом излучает фотон, он его может излучить куда угодно, а не только в нужную сторону.

Подход, который мог бы преодолеть эти трудности, связан именно с миниатюризацией. Свет не обязательно фокусировать в пустом пространстве или в крупном резонаторе: нанофотоника умеет управлять им на микронном и даже субмикронном масштабе. Поэтому возникает естественное желание объединить в рамках единого микроустройства нанофотонику и отдельные атомы. Технологии изготовления наноструктур сейчас хорошо развиты. Поэтому если изготовить с требуемой точностью нужную структуру, «заправить» ее атомами и «запитать» ее лазерным светом, который, кстати, тоже может генерироваться микролазерами прямо на чипе, то можно попробовать реализовать атомно-фотонную сеть.

В появившейся на днях в архиве е-принтов статье Atom-Light Interactions in Photonic Crystals сообщается о первой экспериментальной реализации устройства, в котором взаимодействие между фотонами и отдельным атомом осуществляется в подобной миниатюрной структуре. Конечно, это еще не реализация мечты, а лишь первый шаг на пути к ней. Но, по крайней мере, продемонстрированная технология работает, обладает отличными характеристиками и имеет все возможности для дальнейшего усовершенствования.

Рис. 3. Общий вид и отдельные детали «аллигаторного» фотонного кристалла. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 3 изображено описываемое в этой статье устройство, которое авторы из-за его пилообразной формы назвали «аллигаторным» фотонным кристаллом. В подложке вырезана область размером 1 на 3 мм, над которой натянуто несколько тончайших структур длиной в пару миллиметров (рис. 3a). Центральная нить структуры представляет собой специально изготовленное оптоволокно из полупроводника нитрида кремния толщиной около одного микрона, которое с одной стороны крепится к торцу обычного оптоволокна. Центральный участок этого микронного оптоволокна расщеплен на две параллельные прямоугольные структуры с зазором всего в четверть микрона (рис. 3b). Их внешние края выточены в соответствии со строгой периодической волнообразной структурой с периодом 371 нм, которая вначале плавно нарастает, а затем плавно сходит на нет.

Рис. 4. Разрешенная и запрещенная зоны частот для световой волны, распространяющейся по фотонному кристаллу, а также две резонансных частоты поглощения света атомами цезия. Благодаря настройке фотонного кристалла обе линии поглощения находятся на границах разрешенных зон

Из обычного оптоволокна в эту тончайшую структуру передается лазерный свет. Из-за того что толщина полупроводниковой нити сопоставима с оптической длиной волны, свет распространяется не столько в толще нити, сколько в пространстве рядом с ней и, в частности, внутри зазора. Если бы не волнообразные края, это устройство было бы обычным микроскопическим волноводом — «проводником» света практически любой частоты. Периодические края превращают этот волновод в одномерный фотонный кристалл — устройство, которое не пропускает свет с частотой в определенном интервале (рис. 4). В большей части спектра свет свободно проходит сквозь эту структуру, но если попробовать запустить в него световую волну с частотой внутри запрещенной зоны, то она либо поглотится, либо отразится назад.

В самом центре этой двойной структуры, в зазоре, должен находиться атом цезия. Помещают его туда очень просто. Вблизи этой структуры распыляется небольшое облачко цезия и затем охлаждается внешними лазерными импульсами до температуры в 20 микрокельвинов. Как правило, один атом попадает в центральную область этой структуры и удерживается вблизи нее электрическим полем световой волны. Благодаря этому он не только чувствует прохождение света по оптоволокну, но и может влиять на него, поглощая и переизлучая фотоны (рис. 1). Для реализации описанной выше атомно-фотонной сети надо сделать так, чтобы этот атом излучал свет не в стороны, а обратно в оптоволокно: либо вперед по движению, либо назад — туда, откуда он пришел. Именно в этом случае можно будет говорить о распространении света между атомами по оптоволокну без его утечки наружу.

Всё это была пока вполне стандартная технология. А теперь опишем особенность устройства, реализованного в новой работе.

Атом поглощает и переизлучает свет не на любых, а на резонансных частотах, которые и составляют его спектр. В рассматриваемой области частот у цезия есть две резонансные линии: ν1 = 335 ТГц и ν2 = 351 ТГц (обе частоты лежат в ближнем инфракрасном свете). Положение этих линий неизменно, это свойство самого атома, однако можно настраивать ширину и положение запрещенной зоны фотонного кристалла. В описываемой статье исследователи смогли так настроить свойства кристалла, чтобы эти две резонансные линии лежали на самом краю разрешенных зон — одна чуть выше, другая чуть ниже границ запрещенной зоны (рис. 4).

И, оказывается, обе эти линии нужны для работы устройства! Внутрь оптоволокна непрерывно подается свет на частоте слегка выше, чем ν1. Из-за того что частота света не строго попадает на резонансную, поглощения света не происходит, зато атом испытывает значительное отталкивание со стороны света. Именно эта волна удерживает атом вблизи структуры: она создает в пространстве такое световое поле, что атому выгодно располагаться поблизости с ней. Это первый важный плюс этой работы: не требуется создавать дополнительную ловушку для атомов; свет, идущий по оптоволокну, сам всё сделает.

Тот факт, что эта частота находится на самом краю разрешенной зоны, тоже очень важен. Благодаря этому периодичность световой волны синхронизирована с периодом самого фотонного кристалла, и это позволяет знать, где именно располагается атом относительно гребней и впадин (он находится ровно под впадиной, см. рис. 5).

Рис. 5. Интенсивность светового поля внутри и рядом с «аллигаторным» фотонным кристаллом для волны с частотой ν1 (слева), которая удерживает атом (зеленый кружок в центре рисунка) под впадиной структуры, и для волны с частотой ν2 (справа), которая сильно взаимодействует с атомом. Модифицированное изображение из обсуждаемой статьи

Зафиксировав атом с помощью света с частотой ν1, мы теперь можем исследовать его на частоте ν2. Эта волна тоже находится на краю своей разрешенной зоны, и поэтому она обладает такой же периодичностью. Это дает нам информацию о том, как именно эта волна действует на атом: ее воздействие максимально как раз для атомов под впадиной (рис. 5, справа). Такая тройная синхронизация периодичности (обеих волн и самой «аллигаторной» наноструктуры) — это второй плюс описываемого устройства.

Частота ν2 уже аккуратно настроена на резонанс; такой свет атом с удовольствием поглощает и переизлучает. Если он его переизлучает прямо внутрь оптоволокна, вперед или назад, этот фотон будет зарегистрирован датчиком; если куда-то вбок — не будет. Для будущих приложений требуется добиться того, чтобы один-единственный атом был способен эффективно излучать свет внутрь оптоволокна. Проще всего это проверить, измерив отражательную способность атома: сколько запущенных в оптоволокно фотонов вернется назад после отражения от фотонного кристалла с атомом внутри. Эксперименты показали, что атом в такой структуре отражает назад около 25% падающих на него фотонов — это рекордное значение для всех экспериментов по изучению взаимодействия фотонов с единичными атомами.

Подчеркнем, что столь высокая отражательная способность отдельного атома стала возможна не из-за того, что сам атом был какой-то особенный, а благодаря тому, что он был помещен в подходящую, настроенную «под него» структуру. В пустом пространстве отдельный атом пропускал бы свет мимо себя и только изредка рассеивал бы его в разные стороны. Обычные оптические структуры, возможно, увеличили бы рассеяние света на нем, но всё равно не способствовали бы отражению строго назад. Именно фотонный кристалл, внутрь которого был помещен атом, смог не просто усилить его взаимодействие со светом, но и «заставить» его излучать свет обратно в оптоволокно. Тот факт, что резонансная частота находилась вблизи края разрешенной зоны, тоже играл в этом важную роль: такой свет сильно замедлялся в структуре и у него было больше шансов отразиться от атома обратно.

Авторы работы, ссылаясь на свою теоретическую статью полугодичной давности, уверяют, что коэффициент отражения для отдельного атома можно будет повысить еще больше, вплоть до 95%. Если это будет реализовано, то один-единственный атом станет играть роль отличного зеркала, не уступающего по своим характеристикам обычным бытовым зеркалам. Это откроет возможности для изготовления многоатомных цепочек с произвольной топологией соединения, в которой атомы будут «перекидываться» фотонами, долго не выпуская их наружу. Ну а поскольку эта отражательная способность сильно зависит и от внутреннего состояния атома, появляется возможность управлять фотонами. Наконец, раз отражение зависит и от настройки фотонного кристалла, на основе этого эффекта можно будет разработать и новые микроскопические датчики внешних воздействий.