Квантовий прорив: фізики навчилися «програмувати» атоми світлом без магнітних полів
Група дослідників з фізичного факультету Вільнюського університету представила теоретичну модель, яка кардинально змінює підхід до керування квантовими системами. В основі розробки — можливість «програмувати» атоми за допомогою світла, повністю відмовившись від зовнішніх магнітних полів.
Суть методу полягає у двоетапному процесі. Спочатку світловий пучок задає початковий стан атомного середовища, ніби записуючи на нього «програму». Потім це попередньо підготовлене середовище активно взаємодіє з лазерними пучками, змінюючи їхню форму та поляризацію. Ключовий елемент моделі — оптичні вихори, тобто пучки зі спіральною структурою хвильового фронту. У центрі такого вихору інтенсивність світла падає до нуля, утворюючи темне ядро. Розмір цього ядра визначається топологічним зарядом, який може набувати будь-яких цілих значень — як позитивних, так і негативних.
Практична значущість цього відкриття величезна. Використовуючи оптичні вихори, можна отримати до 10 000 різних станів. Це дозволяє кодувати інформацію не у звичних кубітах (з двома станами), а в кудитах — багаторівневих квантових одиницях, що експоненціально збільшує обчислювальну потужність.
Як це працює: зворотний зв'язок світла та атомів
Для керування векторними вихорами вчені змоделювали взаємодію пучка з атомним газом, де кожен атом має три енергетичні рівні. Підготовлене середовище «успадковує» просторовий малюнок світла: в одних зонах атоми сильно поглинають випромінювання, в інших стають майже прозорими. Виникає ефект зворотного зв'язку — атомний відгук перебудовує сам пучок. Проста кільцева структура трансформується у складний пелюстковий малюнок з кількома яскравими областями навколо центру, і поляризаційна структура також зазнає змін.
Раніше подібний контроль вимагав потужних зовнішніх магнітних полів і громіздкого обладнання. Нова модель пропонує елегантне та компактне рішення.
Теоретично ця розробка відкриває шлях до створення швидших квантових процесорів, високозахищених квантових комунікаційних мереж і надточних оптичних датчиків.
Думка експерта. Це дослідження — важливий крок до практичних квантових технологій. Відмова від магнітних полів не лише спрощує архітектуру пристроїв, але й знижує рівень шуму, що критично важливо для стабільної роботи кудитів. Якщо модель буде успішно реалізована експериментально, ми можемо побачити комерційні квантові системи нового покоління вже в найближчі 5–7 років.