Araştırmacılar, Rydberg blokajı olarak bilinen bir fenomeni (bir atom ile bir molekül arasındaki etkileşim) sergileyerek yeni bir tür kuantum işlemeye doğru bir adım attılar. Bu durumları kullanarak kuantum hesaplamaları yapabilmek için atomların kuantum durumlarının dolaşık olması, yani birbirine bağımlı hale gelmesi gerekir. İki atomun, herhangi bir zamanda yalnızca birinin yüksek derecede uyarılmış (“Rydberg”) bir durumda olabileceği şekilde bağlandığı bir etki olan Rydberg blokajı, bunu yapmak için kullanılan tekniklerden biridir. Bir atomun bir molekülle eşleştirilmesinin, sadece atomların kullanılmasına kıyasla avantajlar sağladığını ve şimdi bu tür bir eşleşmeyi içerdiği gösterilmiştir.
Bu bulgu, hem moleküllerin kuantum durumlarının hassas kontrolü ve ölçümüne yönelik temel araştırmaların hem de bu tür atom-molekül eşleşmelerini kullanan kuantum mantık kapılarının uygulanmasının önünü açıyor.
Rydberg Blokajı Nedir?
Bir Rydberg durumunda, bir elektron çok yüksek bir enerji seviyesine itilir ve çekirdekten uzakta yörüngeye girerek atomun normalden çok daha geniş olmasına ve bir mikrometreye yakın bir genişliğe sahip olmasına neden olur. Atomlarda bu durumları indüklemek için bir uyarma lazeri kullanılabilir. Bununla birlikte, bu atomlardan birinin Rydberg geçişi, bu tür iki atomun elektrik alanları aracılığıyla etkileşime girecek kadar yakın olması halinde, uyarma lazeriyle rezonansın dışına kayacaktır.
Bu Rydberg blokajının bir sonucu olarak sadece bir atom lazer tarafından uyarılabilir, ancak hangisinin olduğunu belirlemek imkansızdır. Bu belirsizlik nedeniyle, iki atom kuantum dolaşık hale gelir ve kuantum bilgisini işlemek için mantık kapıları olarak kullanılabilir- bilim insanları henüz kuantum hesaplama için Rydberg atomlarını kullanmamış olsa da.
Ek olarak, molekül gibi farklı bir parçacık türüyle etkileşimler Rydberg blokajına neden olabilir. Bir molekülün bir atoma yakınlığı, o atomun Rydberg geçişini kapatabilir.
İngiltere’deki Durham Üniversitesi’nden fizikçi Alexander Guttridge’e göre, böyle bir hibrid Rydberg atom-molekül sisteminin yararı, iki bileşenin seçici ve hassas kontrolü için daha fazla alan olmasıdır. Moleküller ve atomlar oldukça farklı geçiş dalga boylarına sahip oldukları için, iki türle ayrı ayrı çalışmanın ve molekülü değiştirmeden atomik durumu okumanın mümkün olduğunu açıklıyor.
Böyle bir hibrit sistemde bilgi, molekülün belirli bir dönme durumu gibi uyarılmış bir durumunda kodlanacak ve kuantum bilgi işlemeye izin verecektir. İki molekülün ortasına yerleştirilen tek bir Rydberg atomu, kuantum bitleri (kübitler) olarak işlev gören dolaşık bir çift oluşturmak için kullanılabilir.
Her iki molekül de 0’ı kodlayan temel durumlarındaysa, araya giren atomun Rydberg geçişini uyarmak mümkündür. Ancak, moleküllerden biri uyarılmış durumdaysa (1’i kodlayan) blokaj geçişin gerçekleşmesini engeller. Bu molekül durumları, karmaşık kuantum hesaplamaları gerçekleştirmek için gerekli olan uzun bir ömre sahiptir.
Hibrit senaryonun yol gösterici kavramları anlaşılabilir, ancak bunları deneysel uygulamaya koymak başka bir hikaye. Normalde birkaç yüz nanometre uzaklıkta olan bir molekül ile bir atom arasındaki bu boşluğu düzgün bir şekilde değiştirme becerisi çok önemli bir zorluktur. Bu, Guttridge ve meslektaşları tarafından molekül ve atomu lazer ışınlarından yapılmış ayrı “optik cımbızlarda” tutarak başarılmıştır.
Molekül, atomu rubidyumdan olmak üzere iki rubidyum ve bir sezyum atomundan oluşuyordu. Molekül, araştırmacılar tarafından manyetik ve lazer alanları kullanılarak temel durumuna getirildi. Molekül daha sonra cımbız kullanılarak tek rubidyum atomunun 300 nm yakınına getirildi. Bu konfigürasyonda, beklendiği gibi, elektrik-alan etkileşimi rubidyum atomunun Rydberg geçişini engelledi. Molekül 700 nm uzağa transfer edildiğinde, etki ortadan kalktı.
Guttridge’e göre bu yöntem, kuantum hesaplama potansiyelinin ötesinde, fiziğin temel yasalarına yönelik molekül temelli araştırmalara olanak sağlayabilir.
Rydberg Blokajının Kullanımı
Rydberg blokajı kullanılarak, moleküler kuantum geçişlerinin hassas ölçümleri yapılabilir ve muhtemelen karanlık maddenin veya yeni yüksek enerji fiziği teorilerinin göstergeleri olabilecek yeni oluşumlar ortaya çıkarılabilir.
İngiltere’deki Strathclyde Üniversitesi’nde kuantum optik uzmanı olan Jonathan Pritchard, “Bu gerçekten heyecan verici bir gelişme” diyor. “Bu, bir Rydberg atomunu polar bir moleküle bağlayan ilk ölçümü temsil ediyor.” Yazar, araştırmanın “kuantum hesaplama ve simülasyon için hibrit platformlar geliştirmede yeni olanaklar sunduğunu” iddia ediyor.
Almanya’daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü’nden fizikçi Stephan Dürr’e göre, bu araştırmadan önce bir atom-molekül Rydberg blokajının gözlemlenip gözlemlenemeyeceği belirsizdi. Eğer ikisi arasındaki mesafe çok büyükse, çarpışabilir ve enerji kazanabilir ya da kaybedebilirler; çok azsa, etkileşim aralığının dışında kalabilirler. “Arada tatlı bir nokta” olduğunu ve bunun “bu çalışmanın büyük ölçüde iyi haberi” olduğunu iddia ediyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/120
