Minijaturizacijom hvatanja hladnih atoma uz pomoć integrisane fotonike, istraživači čine kvantne tehnologije prenosivim.
Njihov fotonski čip sistem zamenjuje tradicionalnu optiku u slobodnom prostoru, nudeći put ka izuzetno preciznim, primenljivim kvantnim senzorima i alatima za kvantno računarstvo.
Dovođenje kvantnih eksperimenata na nivo čipa
Istraživači sa UC Santa Barbara rade na smanjenju hladnih atomskih kvantnih eksperimenata sa velikih laboratorijskih postavki na kompaktne, čip-bazirane sisteme. Ovaj napredak mogao bi da revolucioniše oblasti kao što su precizna detekcija, merenje vremena, kvantno računarstvo i fundamentalna nauka.
„Nalazimo se na prekretnici,“ rekao je Daniel Blumenthal, profesor elektrotehnike i računarstva.
Moć hladnih atoma
U istaknutom članku za Optica Quantum, Blumenthal i njegove kolege — diplomirani student Andrei Isichenko i postdoktorski istraživač Nitesh Chauhan — ističu najnovije proboje i buduće pravce u hvatanju i hlađenju atoma. Njihov rad ima za cilj da ove moćne kvantne tehnologije dovede do prenosivih uređaja, potencijalno malih kao dlan.
Hladni atomi se hlade do izuzetno niskih temperatura, ispod 1 millikelvin, gde im se kretanje usporava i kvantni efekti postaju dominantni. Ovo ih čini izuzetno osetljivim na slabe elektromagnetne signale i fundamentalne čestice, što ih čini idealnim za ultraprecizno merenje vremena, navigaciju i „qubits“ za primene u kvantnom računarstvu.
Izazovi minijaturizacije
Da bi iskoristili ove osobine, mnogi istraživači trenutno rade sa izuzetno osetljivim laboratorijskim atomskim optičkim sistemima za ograničavanje, hvatanje i hlađenje atoma.
Tradicionalno, ovi sistemi koriste lasere i optiku u slobodnom prostoru, generišući zrake koji se usmeravaju, vode i manipulišu pomoću sočiva, ogledala i modulatora. Ovi optički sistemi se kombinuju sa magnetnim kalemovima i atomima u vakuumu kako bi stvorili hladne atome korišćenjem široko rasprostranjene 3-dimensional magneto-optical trap (3D-MOT) tehnologije.
Izazov sa kojim se istraživači suočavaju je kako replicirati funkcije lasera i optike u malom, izdržljivom uređaju koji bi mogao biti primenjen van strogo kontrolisanog laboratorijskog okruženja, za primene kao što su gravitaciono osećanje, precizno merenje vremena i metrologija, kao i kvantno računarstvo.
Proboj u integraciji fotonike
Članak u Optica Quantum razmatra nedavne i brze napretke u minijaturizaciji složenih eksperimenata sa hladnim atomima kroz primenu kompaktne optike i integrisane fotonike. Autori navode fotonska dostignuća iz različitih područja, od telekomunikacija do senzora, i mapiraju razvoj tehnologije u nauci o hladnim atomima.
„Prvi put smo stvorili hladne atome pomoću integrisane fotonike.“
„Urađeno je mnogo sjajnog posla u minijaturizaciji isporuke zraka“, rekao je Isichenko, „ali to je rađeno komponentama koje se i dalje smatraju optikom u slobodnom prostoru — manja ogledala ili manje rešetke — ali još uvek nije bilo moguće integrisati više funkcija na jedan čip.“
Fotonski integrisani 3D-MOT
Istraživači su razvili photonic integrated 3D-MOT, minijaturizovanu verziju opreme koja se široko koristi u eksperimentima za isporuku svetlosnih zraka radi laserskog hlađenja atoma.
Ugrađen u platformu sa low-loss silicon nitride waveguide integracijom, ovaj sistem generiše, usmerava, širi i manipuliše svim zracima neophodnim za hvatanje i hlađenje atoma. Članak naglašava photonic integrated 3D-MOT — ili “PICMOT” — koji je razvio tim sa UC Santa Barbara kao značajnu prekretnicu za ovu oblast.
„Sa fotonikom, možemo napraviti lasere na čipu, modulatore na čipu, a sada i velike grating emitters, što je ono što koristimo da dovedemo svetlost na čip i sa čipa,“ dodao je Isichenko.
Hvatanje atoma sa preciznošću
Posebno je zanimljiva atomska ćelija, vakumska komora u kojoj se atomi hvataju i hlade. Jedno od postignuća istraživača je bilo usmeravanje ulaznog svetla iz optičkog vlakna, čija je širina manja od ljudske dlake, preko waveguides do tri grating emitters koji generišu tri collimated free-space zraka širine 3.5 mm.
Svaki zrak se reflektuje nazad na sebe, formirajući ukupno šest ukrštenih zraka koji hvataju milion atoma iz pare unutar ćelije i, u kombinaciji sa magnetnim poljima, hlade atome na temperaturu od samo 250 µK.
„Prvi put smo stvorili hladne atome pomoću integrisane fotonike“, istakao je Blumenthal.
Širenje dometa kvantne tehnologije
Implikacije ovih inovacija su dalekosežne. Sa planiranim poboljšanjima izdržljivosti i funkcionalnosti, budući chip-scale MOT dizajni mogu iskoristiti širok spektar fotonskih komponenti, uključujući najnovije rezultate sa chip-scale lasers.
Ova tehnologija se može koristiti za optimizaciju uređaja za različite primene — od merenja vulkanske aktivnosti, praćenja porasta nivoa mora i kretanja lednika, do detekcije gravitacionih gradijenata na Zemlji i u svemiru.
Integracija 3D-MOT može omogućiti kvantnim naučnicima i mereocima vremena da sadašnje instrumentacije sa Zemlje pošalju u svemir radi sprovođenja novih fundamentalnih istraživanja, ali i da realizuju merenja koja nisu moguća na Zemlji.
Pored toga, ovi uređaji mogu ubrzati istraživačke projekte smanjenjem vremena i napora potrebnih za uspostavljanje i fino podešavanje optičkih sistema, kao i omogućiti lakši pristup kvantnim eksperimentima za buduće fizičare.
