Son araştırmalarda, kriyojenik vakum odası içindeki optik cımbız dizisi kullanılarak rubidyum Rydberg atomları 50 dakika boyunca başarıyla hapsedildi. Optik cımbızlarla manipüle edilen nötr atom dizileri, kuantum bilgisayarların ve simülatörlerin ölçeklenebilirliği açısından son derece umut verici bir platform olarak ön plana çıktı. Bu diziler, atom bulutlarının birkaç mikrokelvin sıcaklığa kadar lazerle soğutulması ve ardından yoğun lazer ışınlarıyla oluşturulan optik tuzaklara, yani optik cımbızlara yüklenmesiyle elde ediliyor. Araştırmacılar, binlerce atomun aynı anda yakalanmasını ve manipüle edilmesini sağlayan geniş iki boyutlu optik cımbız dizilerini başarıyla oluşturdu. Bu tür çalışmalar, ultra soğuk atomları ortamdaki oda sıcaklığı ile etkileşimden koruyan ultra yüksek vakum odalarında gerçekleştiriliyor. Ancak atomlar, oda duvarlarından gelen ısı radyasyonuna maruz kalmaya devam ediyor ve bu da onların istenmeyen durumlara geçmelerine neden olabiliyor.
Araştırmacılar Zhang ve Hsu, kriyojenik bir ortamda geniş atom dizilerinin üretimini kolaylaştıran, atomları termal radyasyondan koruyan ve odadaki vakum basıncını daha da azaltan yenilikçi bir cihaz geliştirdiler.
Soğuk Tuzağa Yakalanan Rubidyum Atomları ve Optik Cımbızlar
Optik cımbızlarda bireysel çözünürlük elde etmek için, bunlar genellikle birkaç mikrometre aralıklarla yerleştirilir. Temel durumlarındaki iki nötr atom, bu mesafeyle ayrıldıklarında genellikle etkileşime girmezler. Atomlar arasında yararlı kuantum etkileşimlerini kolaylaştırmak için, bunlar yüksek uyarılmış Rydberg durumlarına yükseltilir; burada en dıştaki elektronun dalga fonksiyonu, temel durum dalga fonksiyonundan çok daha uzağa uzanır.
Rydberg durumundaki iki atom, elektrik dipol kuplajı yoluyla etkileşime girer ve bu da ilginç çoklu cisim fiziğine ve atom dizilerinde dolanıklığın oluşmasına yol açabilir. Rydberg durumları, kuantum hesaplama platformları arasında en yüksek kuantum bit sayısına sahip olan nötr atomlarla kuantum hesaplamanın temelini oluşturur. Rydberg durumları, spontan foton emisyonu yoluyla veya çevreden termal veya kara cisim fotonlarını emerek bozunabilir; bu olaylar, ömürlerini kısaltır ve potansiyel kuantum işlemlerinin doğruluğunu kısıtlar.
Oda sıcaklığındaki bir kara cismin emisyon spektrumu, mikrodalga spektrum aralığına uzanan yaklaşık 10 µm’de zirve yapar. Bu mikrodalga spektrum bölgesindeki fotonlar, Rydberg atomlarında geçişlere neden olabilir ve böylece atomların içinde bulunan kuantum bilgisini yok edebilir. Bazı durumlarda, bu süreç bu Rydberg durumlarının ömrüne birincil kısıtlama getirir. Her Rydberg seviyesinde en büyük yörünge açısal momentumuyla karakterize edilen dairesel Rydberg durumları, daha yüksek duyarlılığa sahiptir. Bu durumlar, uzun süreli spontan emisyon ömürleri sergiler ve siyah cisim radyasyonundan etkili bir şekilde korunmaları koşuluyla, Rydberg kapılarının doğruluğunda önemli iyileştirmeler sağlayabilir.
Zhang, Hsu ve arkadaşları, kriyojenik bir ortamda bir atom dizisi geliştirerek bu sorunları ele aldılar. Önemli olarak, bunu yüksek çözünürlüklü atom yakalama ve görüntüleme için gerekli olan vakum kalitesinden veya optik erişimden ödün vermeden başardılar. Daha önce sadece Paris’te bulunan bir grup, kriyojenik ortamda nötr atom dizisi oluşturmuştu. Parisli araştırmacılar, tasarımlarına vakum içinde objektif lens entegre ettiklerinde atomlarının vakumla sınırlı ömürlerinin önemli ölçüde azaldığını keşfettiler.
Atomlar, helyum kriyostat ile 45 K’ye soğutulan özel bir soğuk odada tutulmaktadır. Soğuk kutunun çok sayıda soğuk penceresi, araştırmacıların oda sıcaklığında bir objektif lensi dışarıya yerleştirmelerini sağladı. Lazer ışığı bir mercekten ve ardından bir pencereden geçerek 5 x 5 optik cımbız dizisinde rubidyum atomlarını yakaladı. Soğuk kutu ve ısıtılmış objektif lensin tüm montajı, ortam sıcaklığında tutulan bir vakum odası içinde yer almaktadır.
Kriyojenik ortam, atomları kara cisim radyasyonundan korumakla kalmaz, aynı zamanda oda içindeki vakum basıncını da azaltır. Bu azalma, sıcak arka plan gaz parçacıklarının soğuk bir yüzeye çarpmasıyla gerçekleşir ve bu parçacıkların geri sekmek yerine yoğunlaşmasına neden olur. Bu olaya kriyopompaj denir (Öne çıkarılmış görsel).
Zhang, Hsu ve meslektaşları, soğuk kutuya çıkıntılı bir soğuk parmak entegre ederek odalarının kriyopompaj verimliliğini artırdılar. Bu cihaz 4 K sıcaklığa soğutuldu, böylece arka plan gaz parçacıklarının daha büyük bir kısmı yüzeyinde yoğunlaşabildi. Ardından, hapsedilen rubidyum atomlarının ömrünü ölçtüler. Atom soğutma ve görüntüleme prosedürünün neden olduğu kayıpları ayarladıktan sonra, vakum sınırlı ömrün 3000 saniye olduğunu belirlediler. Bu, oda sıcaklığında atom dizisi deneylerinde tipik olarak elde edilebilen süreden bir derece daha fazladır. Bazı atomlar görüntüleme sırasında kaçınılmaz olarak sınırlarından kaçarlar. Araştırmacılar, mevcut görüntüleme kayıplarıyla 3000 saniyelik bir ömür süresinin, yaklaşık 1000 atomdan oluşan kusursuz diziler oluşturmak için yeterli olduğunu ve kayıplar azaltılırsa daha büyük boyutlara ölçeklendirilebileceğini öngörmektedir.
Araştırmacılar cihazlarının ömrü uzatma yeteneğini kanıtlayıp, yenilikçi kuantum deneyleri yürütmeyi amaçlayan diğer girişimlere de başladı ve aynı zamanda bir kuantum bitini atomların elektronik temel durumunun iki hiperince seviyesine depoladılar ve soğuk kutu içinde bulunan bir mikrodalga anteni kullanarak bu seviyeler arasında geçişler indüklediler. Bir dizi mikrodalga darbesi kullanarak, çevredeki manyetik alanın değişiklikleri tarafından sınırlanan bir süre olan, hiperince kuantum bit durumlarının süperpozisyonu için yaklaşık 1 ms’lik bir koherans süresini ölçtüler.
Atomları Lazerle Tahrik Etmek
Nötr atom kuantum bitlerinde önemli bir yöntem, lazerle tahrik edilen Rabi salınımlarını kullanarak bir atomu rezonant elektromanyetik radyasyon yoluyla iki durum arasında geçişe tabi tutmaktır. Araştırmacılar, soğuk kutu içindeki atomların Rydberg durumuna Rabi salınımlarını indükleyerek cihazlarının yeteneklerini gösterdiler. Bu başarı, soğuk kutunun iki yan penceresinden atomlara yönlendirilen bir kızılötesi ve bir ultraviyole lazer yardımıyla iki foton geçişi kullanılarak gerçekleştirildi. Doğru durum aktarımı için, Rabi salınımlarının koherans süresi, periyotlarını önemli ölçüde aşmalıdır.
Zhang, Hsu ve meslektaşları, 0,26 µs salınım periyodu ve 5,4 µs koherans süresi kaydetti. Koheransları şu anda salınımları indükleyen lazerlerden kaynaklanan enstrümantal gürültü ile sınırlıdır. Bu gürültünün ortadan kaldırılması, Rydberg atomlarının ömrü tarafından belirlenen temel sınıra yaklaşmalarını sağlayacaktır. Bu sınırın, ortam sıcaklığında 147 µs’den kriyojenik ortamda 306 µs’ye çıkması beklenmektedir.
Kriyojenik ortam, Rydberg atomlarını kullanarak kuantum hesaplama ve simülasyon için kapsamlı bir araç seti sunar. Kriyopompajın sağladığı gelişmiş vakum süreleri, olağanüstü uzun ömürlü dairesel Rydberg atomlarının kullanımını artırabilir. Son gösterimler, oda sıcaklığındaki optik cımbız dizilerinde bu Rydberg durumlarının uyarıldığını ortaya koymuştur.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v18/103
