Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время ведутся активные работы по созданию квантового компьютера (КК) - вычислительного устройства, использующего при вычислениях квантовые объекты в качестве элементарных ячеек памяти и законы квантовой механики для выполнения логических операций [1]. В силу своих отличительных свойств КК способен решать некоторые задачи гораздо быстрее, чем классический [2]. Например, факторизацию больших чисел (алгоритм Шора [3]), поиск объекта в неупорядоченной базе данных (алгоритм Гровера [4]) и др. Доступное изложение основ квантовых вычислений можно найти в работах [5,6].
В результате обширных исследований к настоящему времени сформировалось несколько направлений по реализации КК. Одно из них - нейтральные атомы, захваченные в оптические решетки или дипольные ловушки [7, 8]. Такая реализация представляется возможной благодаря быстрому развитию в последние годы техники лазерного охлаждения и захвата нейтральных атомов [9]. С помощью различных механизмов захвата можно создавать в пространстве решетки локализованных атомов, каждый из которых в основном состоянии способен являться физическим носителем одного квантового бита (кубита). Нейтральные атомы в оптических решетках удовлетворяют практически всем критериям выбора кубитов [10]: масштабирование к большому числу кубитов, большие времена сохранения когерентности состояний, возможность управления состояниями отдельных кубитов с помощью лазерных импульсов.
Для создания КК достаточно уметь выполнять одну двухкубитовую операцию - управляемый квантовый фазовый вентиль (УКФВ) [11]. Для его реализации необходимо уметь переводить два кубита в «запутанное» состояние, включая на определенное время взаимодействие между ними. Для этого было предложено возбуждать локализованные нейтральные атомы на короткое время в долгоживущие ридберговские (высоковозбужденные) состояния [12]. Между ридберговскими атомами, обладающими большими дипольными моментами переходов между соседними состояниями, возникает сильное диполь-дипольное взаимодействие (ДДВ), которое проявляется, например, в обменно-резонансных переходах [13].
Предложенные схемы реализации УКФВ на нейтральных атомах с помощью возбуждения их в ридберговские состояния [12, 14, 15] до сих пор не осуществлены на практике. Поэтому остается открытым вопрос об оптимальной схеме и оптимальных экспериментальных параметрах для реализации УКФВ.
Для выполнения двухкубитовых операций на нейтральных атомах с помощью возбуждения их в ридберговские состояния требуется включать на определенное время взаимодействие между атомами и возбуждающим излучением. Наиболее просто это можно сделать с помощью постоянного электрического поля, которое сдвигает ридберговские состояния за счет эффекта Штарка и выводит переходы в атомах из резонансного взаимодействия. В этом случае возникает проблема сохранения когерентности атомных состояний после взаимодействия атома с импульсом электрического поля. Проверить сохранение когерентности можно по наблюдению квантовых интерференционных явлений, таких как биения Рамзея [16].
Хотя в последнее время активно ведутся работы по наблюдению ДДВ в ансамблях холодных ридберговских атомов [16-19], еще не было сообщений о работе с одиночными ридберговскими атомами. До сих пор подобные исследования выполнялись только с большим числом возбужденных атомов. Однако проведение модельных экспериментов по реализации двухкубитовых операций на нейтральных атомах с помощью возбуждения их в ридберговские состояния требует знания точного количества ридберговских атомов, находящихся в конкретном состоянии. Поэтому возникает необходимость в разработке методики, позволяющей определять количество атомов в определенном ридберговском состоянии с точностью до одного атома. Ценность такой методики будет напрямую связана со знанием абсолютного значения эффективности регистрации ридберговских атомов. Следовательно, необходимо также найти способ измерять данное значение.
Методика точного определения количества атомов в определенном ридберговском состоянии позволит измерять населенности коллективных состояний ансамблей, состоящих из нескольких ридберговских атомов, что даст возможность проводить многоплановые исследования ДДВ между ридберговскими атомами в ансамбле. Например, с помощью микроволновой спектроскопии можно изучать энергетические сдвиги коллективных состояний ансамбля, вызванные ДДВ между ридберговскими атомами. Другое направление состоит в исследовании зависимости вероятности об-менно-резонансных переходов в ансамбле, состоящем из нескольких ридберговских атомов, от количества взаимодействующих атомов, объема возбуждения и времени взаимодействия.
Цели работы:
1. Теоретический и экспериментальный анализ применимости ридберговских состояний для выполнения двухкубитовых операций с нейтральными атомами в оптических ловушках.
-
Применение метода штарковского переключения уровней для когерентного управления взаимодействием ридбергавских атомов с резонансным излучением.
-
Разработка методики эффективного детектирования малого числа рид-берговских атомов и населенностей ридберговских состояний.
-
Исследование спектров возбуждения коллективных состояний в ансамбле нескольких ридберговских атомов.
-
Исследование статистики лазерного возбуждения и регистрации ридберговских атомов методом селективной полевой ионизации.
-
Изучение зависимости спектров резонансного диполь-дипольного взаимодействия в малом объеме возбуждения от количества зарегистрированных ридберговских атомов.
Научная новизна:
-
Предложена новая схема реализации двухкубитовой операции (управляемого квантового фазового вентиля) с помощью кратковременного возбуждения нейтральных атомов в ридберговские S и Р состояния.
-
Выполнен анализ оптимальных параметров ридберговских атомов и оптических ловушек для реализации квантовых логических элементов на нейтральных атомах.
-
Разработана оригинальная экспериментальная методика, позволяющая различать количество зарегистрированных атомов (от одного до пяти), находящихся в конкретном ридберговском состоянии.
-
Методом микроволновой спектроскопии впервые исследованы спектры возбуждения коллективных состояний ансамбля, состоящего из нескольких ридберговских атомов.
-
Экспериментально и теоретически изучены зависимости спектров резонансного диполь-дипольного взаимодействия для малого числа ридберговских атомов от числа атомов, объема возбуждения и времени взаимодействия.
-
Предложен и реализован оригинальный способ измерения абсолютного значения эффективности регистрации ридберговских атомов методом селективной полевой ионизации.
Практическая значимость:
1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенные в данной диссертации, являются основой для использования ридберговских состояний в реализации квантовых вычислений на нейтральных атомах.
-
Разработанная методика регистрации одиночных ридберговских атомов позволяет изучать явления в атомных ансамблях, состоящих из одного или нескольких ридберговских атомов (напр., дипольную блокаду [20]).
-
Сужение спектров переходов, наблюдавшееся при полном возбуждении атомного ансамбля, может иметь применение в спектроскопии высокого разрешения.
-
Реализованный метод измерения эффективности регистрации ридберговских атомов может быть рекомендован для абсолютной калибровки детекторов одиночных частиц.
Защищаемые положения:
-
Оптимальные условия для реализации двухкубитовых логических операций при кратковременном возбуждении нейтральных атомов в ридбер-говские состояния достигаются для состояний с малым орбитальным моментом и главным квантовым числом и=30-н35, при расстоянии между атомами і?=5 мкм и длительности возбуждающих лазерных импульсов г=50 не.
-
Метод штарковского переключения уровней при взаимодействии ридберговских атомов с резонансным излучением сохраняет когерентность ридберговских состояний и позволяет эффективно управлять взаимодействием с помощью импульсов слабого электрического поля (менее 1 В/см), что подтверждается экспериментальным наблюдением интерференционных полос Рамзея с контрастом до 50% для одно- и двухфотон-ных микроволновых переходов в атомах натрия.
-
Форма спектров микроволновых переходов между состояниями квазимолекулы, образованной малым ансамблем ридберговских атомов, определяется числом атомов и конечным состоянием квазимолекулы. Малое число ридберговских атомов (от 1 до 5) и состояния квазимолекулы могут регистрироваться методом селективной полевой ионизации с использованием электронного умножителя каналового типа.
-
Спектры обменно-резонансных переходов в ансамбле нескольких ридберговских атомов, регистрируемых в малом объеме атомного пучка, описываются простой аналитической моделью, построенной на основе теории возмущений. Это позволило реализовать новый метод измерения эффективности регистрации ридберговских атомов по соотношению амплитуд одно- и двухатомных сигналов в спектрах обменно-резонансных переходов.
Апробаиия работы. Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конферен-
ции "Микро- и наноэлектроника" (Звенигород 2001); Международной конференции по квантовой информации (Сан-Фелиу, Испания 2002); Международной конференции по квантовой оптике ICQO (Раубичи, Беларусь 2002); Международной конференции по квантовой электронике IQEC (Москва 2002); 35-й Международной конференции Европейской группы по атомной спектроскопии EGAS (Брюссель, Бельгия 2003); Международной конференции по ридберговской физике (Дрезден, Германия 2004); 19-й Международной конференции по атомной физике ICAP (Рио-де-Жанейро, Бразилия 2004); 4-й Международной конференции по современным проблемам лазерной физики MPLP (Новосибирск 2004); Международных конференциях по квантовой информатике (Звенигород 2005, 2007); Международных конференциях по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT (Санкт-Петербург 2005, Минск 2007); 9-й Европейской конференции по атомам, молекулам и фотонам ЕСАМР (Крит, Греция 2007); 16-й Международной конференции по фотонным, электронным и атомным столкновениям ICPEAC (Фрейбург, Германия 2007) и Всероссийской конференции по фундаментальной атомной спектроскопии ФАС (Звенигород 2007).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях, список которых приведен в конце автореферата [1*-6*].
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 123 страницы, включает 28 рисунков и список литературы из 76 наименований.
Похожие диссертации на Исследование квантовой интерференции и диполь-дипольного взаимодействия ридберговских атомов для применения в квантовых компьютерах
