Исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре сделали разработали технологии, которые позволят перенести сложные лабораторные установки на компактные чипы. Это открывает новые перспективы для квантовых вычислений и фундаментальных научных исследований. Работа опубликована в журнале Optica Quantum.
Холодные атомы — это атомы, охлажденные до температур ниже 1 мК (-273°C), при которых они практически лишены теплового движения и начинают демонстрировать выраженные квантовые эффекты. Эти свойства делают их идеальными для высокоточного измерения времени, навигации, а также для использования в качестве кубитов (квантовых единиц информации) для квантовых вычислений.
Ранее подобные эксперименты требовали громоздкого лабораторного оборудования, включающего лазеры, линзы, зеркала и магнитные ловушки. Теперь ученые смогли уместить все это на небольшой, прочный чип, который можно будет использовать за пределами контролируемых лабораторных условий — например, для гравитационного зондирования, метрологии и квантовых вычислений. Ключевую роль в этом играет технология фотонного интегрированного 3D-MOT (PICMOT).
Это компактная версия установки, которая широко используется для лазерного охлаждения атомов. В основе технологии лежит кремниево-нитридная платформа с низкими потерями, на которой размещены оптические волноводы и дифракционные решетки. Они направляют и расширяют световые пучки, необходимые для захвата и охлаждения атомов.
“Мы впервые создали холодные атомы с помощью интегрированной фотоники”, — заявил профессор Даниэль Блументаль, ведущий исследователь проекта.
Одним из достижений стало направление лазерного излучения через волноводы к трем дифракционным решеткам, которые формируют пересекающиеся лазерные пучки шириной 3,5 мм. Эти лучи, взаимодействуя с магнитным полем, способны захватывать в ловушку около миллиона атомов и охлаждать их до температуры всего 250 мкК.
Интеграция 3D-MOT открывает путь к созданию компактных квантовых приборов, которые можно будет использовать в космосе для фундаментальных исследований. Будущие версии таких устройств смогут отслеживать изменения гравитационного поля Земли, что поможет изучать вулканическую активность, изменения уровня моря и движение ледников.
Кроме того, миниатюризация систем с холодными атомами позволит ускорить научные исследования, упростив настройку экспериментального оборудования. Это также создаст новые возможности для расширения доступности квантовых технологий.
Ранее ученые впервые наблюдали тройную связь между бором и углеродом.