Группа физиков из Амстердама смогла определить важное свойство атомов стронция — элемента, который широко используется в атомных часах и квантовых компьютерах — с беспрецедентной точностью. Для этого они использовали облако атомов рубидия. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Стронций: элемент с особыми свойствами
Стронций — это химический элемент, который, возможно, не так известен, как другие, но среди физиков он имеет хорошую репутацию. Стронций — один из шести так называемых щёлочноземельных металлов. Он имеет 38 протонов в ядре и разное количество нейтронов — в природе можно найти изотопы стронция с 46, 48, 49 или 50 нейтронами.
Один из изотопов стронция, 87Sr, имеет особое свойство: его ядро ведёт себя как фермион, в то время как все остальные ядра стронция — бозоны. Это делает его уникальным для использования в атомных часах и квантовых компьютерах.
Изотоп 87Sr и атомные часы
87Sr — один из основных изотопов, которые используются в атомных часах нового поколения — так называемых оптических часах. Они работают на основе очень точно определённых частот света, который излучают или поглощают атомы.
Проблема с бозонными версиями атома стронция заключается в том, что правила, связанные с нулевым спином, строго запрещают излучение или поглощение света на определённых частотах. Здесь на помощь приходит ядерный спин фермионного изотопа.
Эффект Зеемана
Эффект Зеемана, открытый голландским лауреатом Нобелевской премии Питером Зееманом в 1896 году, описывает расщепление различных энергетических уровней, на которых могут находиться электроны атома. Это приводит к тому, что исходящие фотоны — частицы света — могут иметь множество различных, но точно определяемых частот.
В атомном ядре, которое имеет спин, происходит аналогичный эффект Зеемана. Сила ядерного магнита определяет величину расщепления и конкретную радиочастоту, с помощью которой можно перевести ядерный магнит из одного состояния в другое.
Применение в квантовых компьютерах
Особенностью ядра 87Sr является то, что через эффект Зеемана его энергетический уровень расщепляется на десять (равномерно расположенных) энергетических уровней при приложении магнитного поля. Эти десять различных состояний ядра могут использоваться в качестве строительных блоков для квантового компьютера.
В то время как классический компьютер использует биты, которые могут быть в двух состояниях — обычно интерпретируемых как «0» и «1», — квантовый компьютер использует кубиты, которые также могут быть в комбинированном состоянии — примерно «немного 0 и немного 1». Это понятие кубита (и особенно контролируемая комбинация многих таких кубитов) делает квантовые компьютеры намного мощнее классических при выполнении определённых вычислений.
Однако десятикратное вырождение (и десятикратное расщепление в магнитном поле) состояний 87Sr открывает возможность использования так называемых кудитов — аналогов кубитов, которые могут находиться в комбинациях состояний «0», «1», «2» и так далее до «9». Такие кудиты сформируют ещё более универсальные строительные блоки для квантовых компьютеров и квантовых симуляторов.
Определение g-фактора
Физики хотят знать как можно точнее, насколько расщепляются энергетические уровни 87Sr. Другими словами: какова сила ядерного магнита, возникающего из его спина? Количество расщепления определяется величиной, известной как g-фактор 87Sr, и задача состоит в том, чтобы определить этот g-фактор как можно точнее.
Команда из пяти физиков из Амстердамского университета и центра исследований квантового программного обеспечения QuSoft смогла достичь стократного улучшения ранее известного значения.
Неожиданное направление
Прорыв произошёл с неожиданной стороны. Первый автор исследования Премджит Теккеппатт, работавший над исследованием в качестве аспиранта в амстердамской группе, объясняет: «Работа выросла из наших усилий по объединению атомов стронция с другим элементом, рубидием, для создания молекул рубидий-стронций. Это оказалось чрезвычайно сложной задачей, что побудило нас исследовать, чего мы можем достичь, находясь в непосредственной близости друг от друга, избегая при этом перекрытия. Используя технику, называемую оптическим захватом, мы смогли достичь такой конфигурации».
Используя технику, называемую ядерным магнитным резонансом, удалось очень точно определить g-фактор и, следовательно, размер эффекта Зеемана. Это стало возможным благодаря тому, что свойства рубидия были установлены чрезвычайно точно, и их можно было использовать для точной калибровки силы магнитного поля в вакууме, где были захвачены оба типа атомов.
Достигнутая точность откроет двери для более точных применений стронция в атомных часах и квантовых вычислениях, а также может привести к другим шагам вперёд.