Mokslininkai kuria itin stabilius, mažai triukšmo keliančius lazerius ant silicio nitrido lustų, kad atvertų naujas galimybes kvantiniam jutimui.
Įsivaizduokite, kad kišenėje nešiotės prietaisą, kuris gali tiksliai matuoti jūros lygio pakilimą, aptikti žemės drebėjimus už šimtų kilometrų ar net padėti ieškoti sunkiai aptinkamos tamsiosios materijos.
Dešimtmečius tokia tikslumas buvo įmanomas tik griežtai kontroliuojamose fizikos laboratorijose, kur šaltųjų atomų eksperimentams buvo skiriamos ištisos patalpos su optiniais stalais, lazeriais ir jautriais prietaisais.
Tačiau dabar Kalifornijos universiteto (UC) Santa Barbaros mokslininkai ieško būdų, kaip šiuos įrenginius sumažinti iki delno dydžio lustų. Jų pasiekimas gali pakeisti tai, kaip mes tyrinėjame kvantinį pasaulį ir technologijas, pradedant navigacija ir klimato stebėjimu, baigiant laiko matavimu ir kvantiniu skaičiavimu.
„Galima matuoti jūros lygio pakilimą, jūros ledo pokyčius, netgi žemės drebėjimus su šimto kilometrų tikslumu. Be to, tikslūs laiko matavimai kosmose atvers naujas galimybes gravitaciniams eksperimentams ir naujų dalelių, pavyzdžiui, tamsiosios materijos, paieškai“, – sakė Danielis Blumenthalis, vyriausiasis tyrėjas ir UC Santa Barbaros profesorius.
Labai sunku pagaminti mažus kvantinius lustus
Iššūkis visada buvo tas, kad eksperimentai su šaltaisiais atomais yra labai sudėtingi. Atomai turi būti sugauti, atšaldyti beveik iki absoliučios nulio temperatūros ir tirti su lazeriu, nustatytu iki stebinančio tikslumo lygio.
Iki šiol tam reikėjo didelių, vibracijos neturinčių laboratorinių įrenginių, kurių buvo neįmanoma perkelti į lauką ar kosmosą. Tačiau Blumenthal ir jo komanda daugiau nei dešimtmetį tyrinėjo galimybę – o kas, jei visos optinio stalo funkcijos galėtų būti sumažintos ir įmontuotos tiesiai į lustą?
Jų tyrimai prasidėjo nuo gynybos projektų. JAV Gynybos pažangiųjų tyrimų projektų agentūra (DARPA) norėjo mažesnių atominės laikrodžių, kurie veikia remiantis stabiliais atomų, pvz., cezio ar rubidio, svyravimais.
Tyrėjai dirbo prie spindulių perdavimo, lazerio sistemos, kuri sulaiko ir atšaldo šiuos atomus. Tačiau jie nenorėjo sustoti ties tuo. Jie svarstė, ar visą optinį stalą (lazerus, veidrodžius, moduliatorius, stabilizatorius ir dažnio keitiklius) būtų galima sumažinti ir integruoti į lustą?
Tai buvo nelengva užduotis. Tradiciniame optiniame stale kiekviena sudedamoji dalis yra kruopščiai suderinta ir stabilizuota. Norint atkurti tokį tikslumą luste, reikia ne tik pažangios inžinerijos, bet ir naujų medžiagų bei konstrukcijų.
Perkėlimas iš didelių įrenginių į miniatiūrinius sistemas
Norėdami tai pasiekti, mokslininkai pasikliaudavo integruota fotonika, technologija, kuri jau yra naudojama telekomunikacijų ir medicinos prietaisuose. Fotoniniai integriniai grandynai nukreipia ir manipuliuoja šviesą panašiai kaip elektroniniai lustai elektros energiją.
Tai užtruko daug metų, bet iki 2023 m. mokslininkai pasiekė svarbų etapą. Jie sukūrė šaltus rubidio atomus naudodami spindulius, kuriuos generavo jų fotoninis integruotas 3D magneto-optinis spąstai (PICMOT). Sistema naudojo silicio nitrido bangolaidžius, kad lazerio spinduliai būtų nukreipti į vakuuminę kamerą, pripildytą rubidio garų.
Naudodami magnetines ritės ir kruopščiai suderintus spindulius, jie sugebėjo sugauti daugiau nei milijoną atomų ir juos atšaldyti iki 250 mikrokelvinų (apie -460 °F). „Šaltesni atomai ir daugiau atomų reiškia didesnį tikslumą ir jautrumą. Taip yra todėl, kad matavimus vidurkinate pagal daugiau jutiklių“, – sakė Blumenthal.
Tada 2024 m. jie ėmėsi spręsti kitą kritinę problemą – triukšmingus lazerius. Daugelis komercinių lazerių turi platų, nestabilų linijos plotį, todėl jie netinka kvantiniam tikslumui. Mokslininkai sukūrė itin mažo linijos pločio, savęs injekcijos užrakintą 780 nm lazerį, integruotą į jų silicio nitrido lustą.
Pradėdami nuo įprasto Fabry-Pérot diodinio lazerio, jie pašalino triukšmą naudodami aukštos kokybės rezonatorius ir bangolaidžius, sukuriant stabilią, vieno dažnio šviesą, idealią kvantiniam jutimui ir skaičiavimui. Šis lustinis lazeris ne tik prilygo įprastoms laboratorinėms sistemoms, bet kai kuriais atžvilgiais veikė geriau – užtikrino greitesnį grįžtamąjį ryšį, mažesnį triukšmą ir didesnį stabilumą.
Tyrimai dar nesibaigė
Dabar, kai lazeriai, spindulių perdavimas ir optinis valdymas veikia lustais, mokslininkai yra arti visos optinės lentelės atkūrimo miniatiūrine forma. Jie netgi išplėtė savo metodą įtrauktų jonų, kitos kvantinių kompiuterių platformos, kuriai reikia tik kelių atomų, srityje.
Bendradarbiaudami su Masačusetso universitetu Amherste, jie neseniai pirmą kartą panaudojo integruotus lazerius jonų pagrindu sukurtų kubitų gamybai. Tai didelis žingsnis link kompaktinių kvantinių procesorių.
Šių tyrimų reikšmė yra didžiulė. Pavyzdžiui, nešiojamos šaltųjų atomų sistemos galėtų užtikrinti navigaciją be GPS, aptikti požemines struktūras, stebėti klimato pokyčius su beprecedenčiu tikslumu ir netgi sudaryti sąlygas kosminėms misijoms, kurių metu būtų galima tirti gravitaciją ir ieškoti naujų dalelių.
Be to, iš šių miniatiūrinių sistemų sukurti kvantiniai kompiuteriai galėtų būti greičiau ir pigiau plečiami.
Tačiau, nors įstrigę jonai jau yra perkeliami į lustus, kiti komponentai (vakuuminė kamera, įstrigimo įranga ir atomų šaltinis), kuriems reikia didelio skaičiaus atomų, vis dar yra sunkiau miniatiūrizuoti. Komanda aktyviai dirba prie šio klausimo.
Artimiausiais metais jie tikisi sujungti visus šiuos elementus į delno dydžio įrenginį, kuris galės atlikti tai, kam anksčiau reikėjo visos laboratorijos.
