1058
Дослідники з Амстердамського університету та Університету Нового Південного Уельсу відповіли на питання, що залишалося відкритим десятиліттями: чи можуть іони металу ітербію переходити в особливі довгоживучі, майже стабільні стани — і якщо так, то на скільки. Виміряні стани можуть знайти застосування у квантових комп’ютерах та атомних годинниках. Роботу опублікували в журналі Physical Review A.
У серці багатьох сучасних атомних годинників і квантових комп’ютерів лежать так звані захоплені іони — електрично заряджені атоми. Завдяки заряду їх можна утримувати в порожнечі за допомогою електромагнітних полів, а робота приладу залежить від точного контролю над тим, який енергетичний стан займає іон. Іон ітербію (Yb⁺) вважають одним із провідних кандидатів для обох технологій.
У лабораторії Рене Герритсми команда «накачувала» одиночний іон Yb⁺ у різні метастабільні (тобто майже стабільні) стани, лазером збуджуючи його до високого енергетичного рівня. Звідти іон розпадався до нижчих станів, деякі з яких теж виявилися метастабільними — тобто повернення до основного стану займало багато часу. У такий спосіб науковці зафіксували сигнали розпаду, що відповідають часам життя близько 1 секунди та 10 секунд, а також знайшли свідчення стану з часом життя понад 30 секунд.
Провідний автор публікації, аспірант Зегер Аккерман, пояснює хитрість експерименту: «Щоб зробити виміри можливими, ми захопили не один іон, а одразу два. Один слугував для спектроскопічних вимірів, а другий — щоб безперервно охолоджувати й стабілізувати систему, не порушуючи досліджуваного метастабільного стану». Другий іон постійно флуоресціює, і за його зміщеним положенням у пастці можна визначити, чи перебуває «темний» іон у метастабільному стані. Момент, коли темний іон знову починає світитися, і дає точний час розпаду. Розрахунки атомної структури підтвердили результати.
Особливо науковців зацікавив стан із часом життя близько 1 секунди. Розрахунки показують, що його можна досягти з основного стану відносно легко — лише одним лазерним імпульсом. Секундний час життя й передбачена сила переходу означають, що цей стан міг би суттєво покращити зчитування станів квантових бітів (кубітів) та їхніх узагальнених аналогів — так званих кудитів — в іонах ітербію.
Ба більше, саме щодо цього стану дослідження відповіло на питання 35-річної давності. Свого часу теоретики Фосетт і Вілсон передбачили для нього час життя 5,2 секунди й закликали до експериментального підтвердження. Ураховуючи, наскільки складною є структура енергетичних рівнів Yb⁺, їхнє передбачення виявилося досить близьким до дійсності.
Це той випадок, коли фундаментальна атомна фізика напряму годує передові технології. Точність атомних годинників і надійність квантових обчислень залежать від того, наскільки добре ми розуміємо й контролюємо крихітні енергетичні стани окремих іонів. Виявивши й точно охарактеризувавши нові довгоживучі стани ітербію, команда фактично розширила «інструментарій», з якого інженери майбутнього зможуть будувати стабільніші кубіти й ще точніші годинники.
