물리학

연구자들은 가능한 양자 컴퓨팅 작업을 위해 갇힌 원자의 3D 격자를 생성했지만 표준 기술은 원자 간격에 대한 많은 제어를 허용하지 않습니다. 이제 한 팀은 원자를 가두는 집중된 빛의 지점인 광학 핀셋과 Talbot 효과라고 알려진 광학 현상을 결합하여 새로운 유형의 3D 격자를 만들었습니다[1]. 팀의 3D 핀셋 격자에는 10,000개의 원자에 대한 사이트가 있지만 몇 가지 간단한 수정을 통해 시스템은 100,000개의 원자에 도달할 수 있습니다. 이러한 큰 원자 배열은 결국 오류 수정 기능이 있는 양자 컴퓨터의 플랫폼 역할을 할 수 있습니다.

3D 광학 격자는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 이를 생성하는 표준 방법은 6개의 레이저 빔을 교차하여 고강도 또는 저강도 지점에 원자를 가두는 3D 간섭 패턴을 생성하는 것입니다(시놉시스: 3D 격자에서 큐비트 핀포인트 참조). 이러한 저온 원자 시스템은 정밀 시계 및 응집 물질 시스템의 모델로 사용되었습니다. 그러나 원자 사이의 간격은 빛의 파장에 의해 고정되어 있으며, 이는 원자 행동에 대한 연구자의 제어를 제한할 수 있습니다.

광학 핀셋은 원자를 포착하고 제어하는 ​​대체 방법을 제공합니다. 핀셋 배열을 형성하기 위해 연구자들은 빔을 여러 개의 밝은 점으로 구성된 2D 패턴으로 집중시키는 마이크로렌즈 배열(또는 유사한 장치)을 통해 단일 레이저 빔을 통과시킵니다. 원자는 자동으로 이러한 지점의 중심에 그려져 단일 평면에 배열을 형성합니다(관측점: 광학 핀셋으로 고정된 알칼리성 원자 참조). 독일 다름슈타트 기술대학교의 Malte Schlosser는 “우리는 이러한 핀셋 배열을 3차원으로 끌어올렸습니다.”라고 말했습니다.

3D 격자를 얻기 위해 Schlosser와 그의 동료들은 회절 격자나 마이크로렌즈 배열과 같은 주기적인 구조에 빛이 닿을 때 발생하는 간섭 현상인 Talbot 효과를 활용했습니다. 구조에서 나오는 빛은 구조 너머 고정된 거리에 밝은 점의 2D 간섭 패턴을 생성하지만 첫 번째 점과 평행한 점의 추가 평면도 생성합니다. Talbot 효과는 측정을 방해하는 길을 잃은 원자를 가두는 "추가" 밝은 점을 생성하기 때문에 오랫동안 핀셋 배열 연구에 방해가 되는 것으로 간주되어 왔습니다. 연구원들은 의도적으로 광학 시스템을 조정하여 더 밝은 지점에 원자를 가두어 이 "버그"를 기능으로 전환했다고 Schlosser는 설명합니다.

연구원들은 마이크로렌즈 어레이에 800밀리와트 레이저를 조사하여 렌즈의 초점면에 777개의 원자 트랩의 2D 정사각형 어레이를 생성했습니다. 그러나 Talbot 효과 덕분에 이 2D 배열은 17개의 평행 평면으로 재현되어 총 10,000개의 원자 트랩을 제공합니다. Schlosser는 “이 Talbot 비행기는 무료로 제공되므로 추가 레이저 출력이나 레이저 빔을 추가할 필요가 없습니다.”라고 말합니다.

시스템 시연으로 Schlosser와 그의 동료들은 트랩의 약 50%에 루비듐 원자를 탑재하고 부격자의 모든 원자에서 광학 전이를 유도할 수 있음을 보여주었습니다. 앞으로 팀은 집중된 레이저 빔을 사용하여 단일 원자를 선택적으로 여기시킬 계획입니다. 이러한 광학 제어를 통해 연구자들은 원자의 상태를 "읽거나" 이웃과 상호 작용할 수 있는 소위 리드버그 상태에 배치할 수 있습니다. 원자-원자 상호 작용의 제어는 이전에 2D 핀셋 배열에서 시연되었습니다. Schlosser는 3D 격자에서 원자-원자 상호 작용이 있을 것으로 예상하지만 현재 평면 사이의 간격이 너무 큽니다(약 100μm). 10μm 이하의 거리가 필요합니다.

격자의 간격을 줄이는 것 외에도 팀은 그래핀과 같은 재료를 모방할 수 있는 육각형 패턴과 같은 다른 트랩 기하학적 구조를 탐색할 계획입니다. 연구원들은 또한 레이저 출력을 높이기 위해 노력하고 있습니다. 빛이 많을수록 격자의 트랩 수가 늘어납니다. 그들은 전력을 두 배로 늘리면 30,000개의 트랩을 제공하고 4배로 늘리면 거의 100,000개에 가까운 트랩을 생성할 것으로 추정합니다.