Минијатуризацијом хватања хладних атома уз помоћ интегрисане фотонике, истраживачи чине квантне технологије преносивим.
Њихов фотонски чип систем замењује традиционалну оптику у слободном простору, нудећи пут ка изузетно прецизним, применљивим квантним сензорима и алатима за квантно рачунарство.
Довођење квантних експеримената на ниво чипа
Истраживачи са UC Santa Barbara раде на смањењу хладних атомских квантних експеримената са великих лабораторијских поставки на компактне, чип-базиране системе. Овај напредак могао би да револуционише области као што су прецизна детекција, мерење времена, квантно рачунарство и фундаментална наука.
„Налазимо се на прекретници,“ рекао је Daniel Blumenthal, професор електротехнике и рачунарства.
Моћ хладних атома
У истакнутом чланку за Optica Quantum, Blumenthal и његове колеге — дипломирани студент Andrei Isichenko и постдокторски истраживач Nitesh Chauhan — истичу најновије пробоје и будуће правце у хватању и хлађењу атома. Њихов рад има за циљ да ове моћне квантне технологије доведе до преносивих уређаја, потенцијално малих као длан.
Хладни атоми се хладе до изузетно ниских температура, испод 1 millikelvin, где им се кретање успорава и квантни ефекти постају доминантни. Ово их чини изузетно осетљивим на слабе електромагнетне сигнале и фундаменталне честице, што их чини идеалним за ултрапрецизно мерење времена, навигацију и „qubits“ за примене у квантном рачунарству.
Изазови минијатуризације
Да би искористили ове особине, многи истраживачи тренутно раде са изузетно осетљивим лабораторијским атомским оптичким системима за ограничавање, хватање и хлађење атома.
Традиционално, ови системи користе ласере и оптику у слободном простору, генеришући зраке који се усмеравају, воде и манипулишу помоћу сочива, огледала и модулатора. Ови оптички системи се комбинују са магнетним калемовима и атомима у вакууму како би створили хладне атоме коришћењем широко распрострањене 3-dimensional magneto-optical trap (3D-MOT) технологије.
Изазов са којим се истраживачи суочавају је како реплицирати функције ласера и оптике у малом, издржљивом уређају који би могао бити примењен ван строго контролисаног лабораторијског окружења, за примене као што су гравитационо осећање, прецизно мерење времена и метрологија, као и квантно рачунарство.
Пробој у интеграцији фотонике
Чланак у Optica Quantum разматра недавне и брзе напретке у минијатуризацији сложених експеримената са хладним атомима кроз примену компактне оптике и интегрисане фотонике. Аутори наводе фотонска достигнућа из различитих подручја, од телекомуникација до сензора, и мапирају развој технологије у науци о хладним атомима.
„Први пут смо створили хладне атоме помоћу интегрисане фотонике.“
„Урађено је много сјајног посла у минијатуризацији испоруке зрака“, рекао је Isichenko, „али то је рађено компонентама које се и даље сматрају оптиком у слободном простору — мања огледала или мање решетке — али још увек није било могуће интегрисати више функција на један чип.“
Фотонски интегрисани 3D-MOT
Истраживачи су развили photonic integrated 3D-MOT, минијатуризовану верзију опреме која се широко користи у експериментима за испоруку светлосних зрака ради ласерског хлађења атома.
Уграђен у платформу са low-loss silicon nitride waveguide интеграцијом, овај систем генерише, усмерава, шири и манипулише свим зрацима неопходним за хватање и хлађење атома. Чланак наглашава photonic integrated 3D-MOT — или “PICMOT” — који је развио тим са UC Santa Barbara као значајну прекретницу за ову област.
„Са фотоником, можемо направити ласере на чипу, модулаторе на чипу, а сада и велике grating emitters, што је оно што користимо да доведемо светлост на чип и са чипа,“ додао је Isichenko.
Хватање атома са прецизношћу
Посебно је занимљива атомска ћелија, вакумска комора у којој се атоми хватају и хладе. Једно од постигнућа истраживача је било усмеравање улазног светла из оптичког влакна, чија је ширина мања од људске длаке, преко waveguides до три grating emitters који генеришу три collimated free-space зрака ширине 3.5 mm.
Сваки зрак се рефлектује назад на себе, формирајући укупно шест укрштених зрака који хватају милион атома из паре унутар ћелије и, у комбинацији са магнетним пољима, хладе атоме на температуру од само 250 µK.
„Први пут смо створили хладне атоме помоћу интегрисане фотонике“, истакао је Blumenthal.
Ширење домета квантне технологије
Импликације ових иновација су далекосежне. Са планираним побољшањима издржљивости и функционалности, будући chip-scale MOT дизајни могу искористити широк спектар фотонских компоненти, укључујући најновије резултате са chip-scale lasers.
Ова технологија се може користити за оптимизацију уређаја за различите примене — од мерења вулканске активности, праћења пораста нивоа мора и кретања ледника, до детекције гравитационих градијената на Земљи и у свемиру.
Интеграција 3D-MOT може омогућити квантним научницима и мереоцима времена да садашње инструментације са Земље пошаљу у свемир ради спровођења нових фундаменталних истраживања, али и да реализују мерења која нису могућа на Земљи.
Поред тога, ови уређаји могу убрзати истраживачке пројекте смањењем времена и напора потребних за успостављање и фино подешавање оптичких система, као и омогућити лакши приступ квантним експериментима за будуће физичаре.
