Квантовые «трюки» в атомной интерферометрии

Физики из Национального Института Стандартов и Технологии продемонстрировали новый способ заставить атомы взаимодействовать, подобно свету в знаменитом опыте с дифракцией на двух щелях.

Этот эксперимент вновь демонстрирует такие удивительные свойства вещества на квантовом уровне, как волновое поведение атомов или присутствие сразу в двух местах, а также обещает новые перспективы для квантовых вычислений с нейтральными атомами. Эксперименты исследователей аналогичны историческому опыту Юнга с дифракцией на двух щелях, демонстрирующему волновое поведение света. Лучи света, проходящие через разные щели, интерферируют и создают картину из полосок. На этом явлении основан метод интерферометрии, используемый во многих областях техники. На этот раз вместо света использовались атомы, также способные вести себя и как частицы, и как волны.

Атомные интерферометры уже создавались ранее, но группа из НИСТ внесла несколько новых находок. Около 20 000 атомов рубидия захватывались в оптической решётке, созданной тремя парами инфракрасных лазерных лучей. Эти лучи создают набор «ям», в которых и удерживаются атомы.Лазеры располагаются так, чтобы возникли две перекрывающихся решётки, одна из которых имеет вдвое меньший шаг в одном из направлений. Если атом помещается в одну из ячеек более грубой решётки, а затем создающие её лазеры выключаются и включаются лазеры более тонкой решётки, каждая яма расщепляется на две, находящиеся на расстоянии около 400 нм. По правилам квантовой физики, атом не «выбирает», в каком из двух состояний ему находиться, а принимает суперпозицию двух состояний, как бы находясь одновременно в обеих новых ямах. При этом на фотографиях видна характерная интерференционная картина взаимодействия двух налагающихся состояний сразу для тысяч атомов.

Однако если в каждую яму более грубой решётки поместить по два атома и расщепить ямы надвое, всё меняется. Теперь исходная пара атомов представляет собой суперпозицию трёх состояний: оба атома в одной яме, оба атома во второй яме, и по одному в каждой яме.

В первых двух случаях присутствие двух атомов в одной яме заставляет их взаимодействовать, изменяя интерференционную картину — со светом такой эффект не может иметь места. Дисбаланс между тремя возможными состояниями создаёт эффект стробоскопа: в зависимости от продолжительности удержания атомов в решётке перед тем, как их «отпускают», интерференционная картина включается (полосы есть) или выключается (полос нет).

Подобное включение/вык­лючение интерференционной картины ранее наблюдалось немецкими учёными в подобных экспериментах, но в той работе не производилось удержание пары атомов в одной паре ям. Эксперименты исследователей из НИСТ позволили им измерить, в какой степени то, что они получили, представляло собой ровно один или ровно два атома в одной яме, а также управлять взаимодействием в точности двух атомов. Последнее является важным шагом на пути к созданию квантового компьютера, хранящего информацию на отдельных нейтральных атомах. Ультрахолодные атомы переводятся в состояние суперпозиции двух положений, после чего освещается. На экране видна характерная интерференционная картина (красный цвет соответствует большей плотности), возникающая из-за положительной и отрицательной интерференции «частей» атомов, находящихся в разных состояниях, и усиливаемая большим числом атомов, «работающих в унисон».