Без магнітів і складного обладнання: литовські вчені знайшли спосіб «програмувати» атоми світлом
Група дослідників з фізичного факультету Вільнюського університету запропонувала теоретичну модель, яка дозволяє «програмувати» атоми за допомогою світла, повністю відмовившись від зовнішніх магнітних полів. Це принципово новий підхід до керування квантовими системами, який може спростити створення квантових пристроїв.
Суть методу полягає в тому, що світло спочатку задає атомам певний стан — «програмує» їх, а потім це заздалегідь підготовлене атомне середовище змінює форму та поляризацію складних лазерних пучків. Ключову роль у моделі відіграють оптичні вихори — пучки зі спіральною структурою хвильового фронту, в центрі яких інтенсивність падає до нуля. Розмір цієї темної області визначається так званим топологічним зарядом, який може набувати будь-яких цілих значень — як позитивних, так і негативних.
На практиці це означає, що ми можемо отримати до 10 000 різних станів. Замість звичних кубітів, що працюють із двома станами, з'являється можливість кодувати інформацію в кудитах — багаторівневих одиницях квантової інформації. Це колосальний стрибок у ємності та стійкості обчислень.
Для керування векторними вихорами вчені змоделювали взаємодію лазерного пучка з атомним газом, де атоми мають три енергетичні рівні. У такій системі підготовлене середовище «успадковує» просторовий малюнок світла: в одних областях атоми сильно поглинають випромінювання, в інших стають майже прозорими. Виникає зворотний зв'язок — атомний відгук перебудовує сам пучок. Замість простого кільця з'являється складний пелюстковий візерунок із кількома яскравими областями навколо центру, а поляризаційна структура пучка кардинально змінюється.
Раніше подібний контроль вимагав потужних зовнішніх магнітних полів і громіздкого обладнання. Нова модель обіцяє позбавити квантові системи цих обмежень.
Теоретично ця розробка відкриває шлях до швидших квантових процесорів, високозахищених квантових комунікаційних мереж і надточних оптичних датчиків. У той час як індустрія все ще бореться з масштабуванням кубітних систем, подібні фундаментальні прориви в керуванні квантовими станами — саме те, що виведе нас за межі поточних можливостей.
Коментар експерта: Відмова від магнітних полів у квантовому керуванні — це не просто технічне спрощення. Це зняття одного з головних бар'єрів на шляху до комерційно життєздатних квантових систем. Якщо модель підтвердиться на практиці, ми можемо побачити принципово новий клас компактних квантових пристроїв, що працюють на оптичних столах, а не в кріогенних камерах.