הפקה יעילה של פוטונים נפרדים למיחשוב קוונטי

פיסיקאים הצליחו, בעזרת שימוש בלייזר המעורר אטום יחיד מתוך גז רובידיום מקורר-ביתר, לפתח שיטה חדשנית להפקת פוטונים נפרדים באופן מהיר ויעיל, פוטונים שיוכלו לשמש בעיבוד מידע קוונטי לצורכי אופטיקה, וכן בתחומי מחקר חשובים נוספים

פיסיקאים הצליחו, בעזרת שימוש בלייזר המעורר אטום יחיד מתוך גז רובידיום מקורר-ביתר, לפתח שיטה חדשנית להפקת פוטונים נפרדים באופן מהיר ויעיל, פוטונים שיוכלו לשמש בעיבוד מידע קוונטי לצורכי אופטיקה, וכן בתחומי מחקר חשובים נוספים.

הטכניקה החדשה מנצלת את היתרון הטמון בתכונותיו הייחודיות של האטום – הוא תמיד מכיל אלקטרון אחד או יותר המעורר לרמה של כמעט יינון מלא (מצב הידוע בשם "מצב רידברג"). אטומים במצב מעורר מאוד זה הם בעלי תכונות אלקטרומגנטיות בולטות ומגיבים זה עם זה באופן חזק. עובדה זו מאפשרת לאטום רידברג (אטום המכיל אלקטרון הנמצא במצב קוונטי זה) לחסום את המידע שמקורו באטומים מעוררים אחרים הנמצאים במרחק של 20-10 מיקרונים ממנו.

בשלב הבא, ניתן להמיר את אטום רידברג נפרד זה לפוטון וכך מבטיחים – בממוצע – כי נוצר פוטון יחיד מאוסף של אטומי רובידיום המכילים מאות אטומים הארוזים באופן דחוס. הפקת פוטון יחיד בעל תכונות ידועות מהווה צעד חשוב עבור מספר תחומי מחקר, לרבות מערכות של מידע קוונטי.

ממצאי המחקר, שנתמך ע"י הקרן הלאומית למדע של ארה"ב (NSF) והמחלקה למחקר מדעי של חיל האוויר האמריקאי (AFOSR), פורסמו בגרסה המקוונת של כתב-העת המדעי היוקרתי Science (Science Express).

"אנו מסוגלים להמיר באופן יעיל מאוד מצבים מעוררים מסוג רידברג לפוטונים יחידים, דבר המאפשר לנו להגיע למצב האלקטרוני בו אנו מעוניינים בכל רגע שנרצה בכך," מסביר Alex Kuzmich, פרופסור בביה"ס לפיסיקה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. "המערכת החדשה מספקת כר שופע לחקר מצבים אלקטרוניים של אטומים, ספין ופוטונים.

צוות המדענים חקר מערכות מידע קוונטי המבוססות על מיפוי מידע מתוך אטומים המומרים לזוגות שזורים של פוטונים. אולם השיטה בה הם השתמשו בכדי ליצור את הפוטונים (פיזור ראמאן) לא הייתה מספיק יעילה ולא הצליחה לספק את מספר הפוטונים השזורים הנדרשים למערכות מורכבות. "מקור פוטונים זה מהיר יותר פי אלף ממערכות קיימות," מסביר החוקר.

על מנת להפיק את אטום רידברג, החוקרים השתמשו באלומת לייזר שהוקרנה על אוסף דחוס של מאות אחדות של אטומי רובידיום שקורר לפני כן בעזרת לייזר והוגבלו לתוך סריג אופטי. אלומת הלייזר גרמה לאטום אחד מקרב האוסף כולו לעבור למצב רידברג. אטומים המעוררים למצב רידברג מגיבים בחוזקה עם אטומי רידברג אחרים ותחת תנאים מתאימים, הם יכולים לשנות את האנרגיות של הרמות האטומיות ולמנוע הפיכתו של אטום נוסף למצב רידברג – תופעה הידועה בשם "חסימת רידברג". אטומי רידברג מפגינים את יחסי-הגומלין החזקים הללו בטווח של 20-10 מיקרונים. ע"י הגבלת האוסף המקורי של אטומי הרובידיום לטווח מרחקים זה, החוקרים הצליחו להבטיח כי לא ייווצר יותר מאטום יחיד כזה בכל פעם. "אטום רידברג המעורר "צריך" מרחב סביב עצמו ולא מאפשר לאטומי רידברג אחרים להתקרב אליו," מסביר החוקר. "לאוסף שלנו היה נפח מוגבל, ולכן לא הצלחנו להכניס יותר מאטום אחד לנפח הזמין."

מרגע שנוצר אטום מעורר מאוד החוקרים השתמשו בשדה לייזר נוסף על מנת להמירו לאור. מאחר והקרן נוצרה ע"י אטום רידברג, היא כוללת פוטון יחיד, היכול לשמש במגוון תחומים, כגון שערים לוגיים קוונטיים המשמשים במערכות מידע קוונטיות.