Закрученный луч позволил определять атомы поштучно

Чтобы уловить присутствие чего-либо, нужно с этим как-то взаимодействовать. Хотя бы при помощи электромагнитных волн. Но тут физика накладывает свои ограничения.

Это ведь только в массе «общение» вещества и потока излучения организовать проще простого. Даже в микросекундных импульсах лазера число фотонов — чудовищно велико. А в мельчайших крупинках исследуемых материалов или в разнообразных магнитных или лазерных ловушках, удерживающих облачка атомов, «подопытных кроликов» также содержится немало. А значит — свет и атомы не могут не встретиться. Вещество так или иначе влияет на проходящее излучение, поглощает его или отклоняет, излучает фотоны вновь…

Но что делать, если мы ждём появления одного-единственного атома? Как точно узнать — пролетел он наконец-то мимо или ещё нет? Тут нужно идти на хитрость. Его величество случай нужно обмануть, чтобы установка гарантировано выдала сигнал. Да ещё чтобы сделала это всего за миллионную долю секунды — в 20 раз быстрее, чем это было возможно ранее.

Создание квантовых компьютеров, потенциально способных значительно превзойти обычные в быстродействии, немыслимо без манипулирования отдельными атомами. А это предполагает надёжное их детектирование (иллюстрация Joint Quantum Institute).

Именно о таком впечатляющем достижении группы учёных из американского Объединённого института квантовой физики (Joint Quantum Institute — JQI) и чилийского университета Консепсьона (Universidad de Concepción) повествует статья в Nature Physics.

(Кстати, именно в JQI в январе нынешнего года физики впервые телепортировали атом на метр.)

В новом опыте небольшая популяция атомов рубидия была помещена в магнитооптическую ловушку с отверстием в нижней части. Время от времени некоторые атомы покидали эту вакуумную камеру и «проваливались» через 1,5-миллиметровое отверстие в дне, выскакивая на скорости 20 метров в секунду в соседний (расположенный на расстоянии 8 сантиметров) детектор — цилиндр с шириной и диаметром порядка 2 миллиметров. Полость внутри него атом пролетал всего за 5 миллионных долей секунды, но за это время в ней многое успевало произойти. А что именно — сейчас увидим.

Шаг первый. A – ловушка, поставляющая атомы по очереди; B – отдельные атомы попадают в детектор-резонатор, где взаимодействуют с лучом лазера; C – горизонтально поляризованный луч попадает в  камеру, где начинает многократно отражаться от торцевых зеркал. Пропорции и масштаб различных объектов не соблюдены (иллюстрация Joint Quantum Institute).

Датчик, придуманный в Объединённом институте, представляет собой оптический резонатор с двумя параллельными зеркалами с высокой отражающей способностью. Зеркала эти смотрят друг на друга.

В резонатор направляется луч лазера с длиной волны 780 нанометров и (что является отличием от сходных ранних опытов) с горизонтальной поляризацией. Луч этот эффективно возбуждает атом, заставляя его излучать во всех направлениях. При этом фотоны, испускаемые атомом, обладают вертикальной поляризацией. И хотя время нахождения частицы между зеркалами очень мало, оно в 200 раз больше, чем время, необходимое ей для перепрыгивания на следующий энергетический уровень и последующего излучения нового фотона. Так что за время полёта один атом успевает проделать это несколько раз, что увеличивает число импульсов, которые будут доступны для регистрации.

Однако это далеко не все уловки. Ведь даже в описанной ситуации вторичный свет от атома будет слишком слаб для уверенного его различения (нужно не забывать о помехах, а именно случайных фотонах из внешней среды).

Потому физики решили применить в том же самом устройстве второй метод определения наличия атома — по эффекту Фарадея.

Заключается он в закручивании плоскости поляризации линейно поляризованного света, проходящего через вещество, находящееся в магнитном поле. Именно такое поле и создали учёные внутри оптического резонатора.

Шаг второй. A – возбуждённые атомы начинают излучать волны с вертикальной поляризацией; B – зеркала успевают отразить входной пучок тысячи раз; C – магнитное поле, ориентированное параллельно лучу лазера, вызывает поворот плоскости поляризации пучка в присутствии атома (иллюстрация Joint Quantum Institute).

Обычно про явление Фарадея говорят в связи с большим количеством вещества — для единственного атома, пересекающего луч, эффект будет ничтожным. Но вот тут-то к месту оказываются зеркала резонатора.

Пока атом рубидия пересекает поле зрения прибора, лучи исходного лазера успевают поскакать между зеркалами 10 тысяч раз. И пусть в каждом случае взаимодействия с атомом отдельные фотоны поворачивают свою плоскость поляризации на очень небольшую величину, они наталкиваются на атом вновь и вновь, и в сумме получается немало градусов поворота плоскости. А это значительно увеличивает общее число фотонов с вертикальной поляризацией (первые из них были получены иначе — в результате излучения новых фотонов рубидием — помните?).

Набегавшись между зеркалами вдоволь, суммарный свет покидает полость резонатора и попадает на поляризационный делитель. Здесь фотоны с горизонтальной плоскостью поляризации (те, что с пролетевшим атомом никоим образом не взаимодействовали) отправляются по одной дорожке, а «вертикальные» фотоны — по второй. В конце каждой — детекторы, в которых происходит регистрация фотонов по одному, причём для каждого записывается точное время прибытия. Соотношение между фотонами первой и второй групп говорит об отсутствии или присутствии искомого атома.

Очевидно, на наличие вертикально поляризованных волн в этой системе могут влиять и внешняя засветка (несмотря на все меры к её устранению — вспомним — речь-то идёт буквально о десятках фотонов) и какие-то случайные процессы. Потому сигналы с обоих датчиков идут постоянно. Но поскольку в новой установке «подопытный» атом производит всплеск характерного излучения, его всё же можно определить.

Шаг третий. A – взаимодействие лазерного луча и атома в присутствии магнитного поля приводит к появлению в выходном пучке (зелёный цвет) двух составляющих с горизонтальной (показана жёлтым) и вертикальной (показана синим) поляризацией; B — делитель расщепляет луч на эти две составляющие; C — всплеск числа фотонов с вертикальной поляризацией на фоне ровной линии «горизонтальных» фотонов говорит о присутствии атома в детекторе (иллюстрация Joint Quantum Institute).

И вот тут нашлась ещё одна хитрость. Руководитель группы Луис Ороско (Luis A. Orozco) поясняет: очень трудно было показать, что датчик чувствует единственный атом. Но учёные пропустили через систему достаточно большое число атомов, чтобы собрать статистику — какие именно «отпечатки пальцев» в виде характерной последовательности прибывающих один за другим фотонов они оставляют.

А это между тем позволило компьютеру системы, образно говоря, обучиться различать «на лету» настоящие события (пролёт атома через камеру) и ошибочные сигналы, сравнивая «отпечатки».

«Существующие способы были слишком медленными для детектирования движущихся атомов, в результате чего было трудно сделать что-либо с ними до того, как они исчезали. Наша работа снижает это ограничение скорости, — заявил один из авторов эксперимента Дэвид Норрис (David Norris). — Кроме того, обычно трудно провести различие между подлинным обнаружением и случайными ложными срабатываниями без сбора данных за большой период времени. Наша система фильтрует оба сигнала и сокращает время обнаружения».

Что же в результате? «Наша установка позволяет в реальном времени обнаруживать свободно движущийся атом менее чем за микросекунду с уверенностью (точностью) в 99,7%», — отчитываются исследователи. Их коллеги по цеху уже обдумывают, где можно применить новую установку. А нам остаётся порадоваться за полёт мысли заокеанских экспериментаторов.