Технологія прориву: один лазерний промінь відкриває нову еру в квантових обчисленнях

18

Уявіть собі світ, де квантові датчики мають безпрецедентну точність, а навігаційні системи не залежать від небесних супутників. Все це стає ближче завдяки дивовижному відкриттю вчених, які розробили метод, здатний значно продовжити час збереження спінової когерентності атомів – ключового елемента багатьох квантових технологій. Це досягнення, здається простим, насправді може зробити справжню революцію в області квантових обчислень і сенсорики.

Ослаблення квантової крихкості: проблема спінової релаксації

В основі роботи квантових пристроїв, таких як надчутливі датчики і системи зберігання даних, лежать атоми, що володіють унікальною властивістю – “спіном”. Цей спін взаємодіє з магнітними полями і дозволяє проводити неймовірно точні вимірювання. Однак, як відомо, ці спини вкрай чутливі до зовнішніх впливів. Навіть невелике порушення, викликане зіткненнями з сусідніми атомами або стінками контейнера, може призвести до втрати орієнтації спина – процесу, відомого як спінова релаксація. Аж до цих пір, для захисту атомів від подібних перешкод було потрібно складне і дороге обладнання, що працює в умовах наднизьких температур і сильних магнітних полів.

Світло як щит: революційний лазерний підхід

Нова розробка фізиків Єврейського університету та Корнельського університету пропонує елегантне рішення цієї проблеми. Вони виявили, що один, точно налаштований лазерний промінь здатний синхронізувати внутрішнє обертання атомів, ефективно “підтримуючи” їх спини вирівняними, навіть коли вони стикаються один з одним. Це ніби диригент, який направляє оркестр: світло, подібно диригентській паличці, координує рух атомів, не дозволяючи їм збитися з ритму.

Метафора волчков в коробці

Уявіть собі коробку, повну крихітних дзиг. Без втручання, взаємодія між вершинами неминуче призведе до розсинхронізації обертання і безладу. Особливо помітний цей ефект в умовах сильного магнітного поля, коли вершини обертаються і змінюють свою орієнтацію із запаморочливою швидкістю. Однак, використання світла для синхронізації обертання “дзиг” дозволяє уникнути цього хаосу. Світло ефективно підтримує гармонійне обертання всіх вершин, запобігаючи їх рассинхронизацию і забезпечуючи стабільність системи навіть при високих магнітних полях.

Дивовижні результати: збільшення часу збереження спина в 9 разів

В ході експериментів з парами цезію дослідники домоглися вражаючих результатів. Новий метод дозволив збільшити час збереження орієнтації атомів по спину в дев’ять разів! Важливо відзначити, що цей захист ефективно працює навіть в умовах, коли атоми відскакують від стінок контейнера, покритих спеціальним антирелаксаційним покриттям.

Перспективи та практичне застосування

Значення цього відкриття виходить далеко за межі лабораторії. Новий метод обіцяє революціонізувати цілий ряд областей:

  • Квантові датчики та магнітометри:Підвищення чутливості і точності медичних сканерів, археологічних інструментів і космічних апаратів.
  • Навігаційні системи:Створення високоточних систем навігації, що не залежать від GPS і стійких до перешкод.
  • Квантові інформаційні платформи:Розробка більш надійних і довговічних систем зберігання і обробки квантової інформації.

Відсутність необхідності екстремального охолодження та складної настройки поля робить цей метод особливо привабливим для практичного застосування в реальному світі.

Майбутнє квантових технологій

“Цей підхід відкриває нову главу в захисті квантових систем від перешкод,” – стверджують дослідники. “Використовуючи природний рух атомів і використовуючи світло як стабілізатор, ми тепер можемо зберігати узгодженість у більш широкому діапазоні умов, ніж будь-коли раніше.”

Дослідження, засноване на десятиліттях роботи в галузі атомної фізики, є простим та елегантним кроком вперед. Використання світла для координації атомів може прокласти шлях до майбутнього, де квантові технології стануть більш надійними, точними та доступними.

Посилання:“Оптичний захист атомів лужних металів від спінової релаксації”, автори Авраам Берребі, Марк Дікопольцев, Орі Кац та Ор Кац, 10 липня 2025 р., Physical Review Letters.

DOI:10.1103/fncz-b3yy