Физики обнаружили странное отклонение атома внутри сфокусированного лазерного луча
Физики впервые непосредственно наблюдали оптический аналог эффекта Магнуса — явления, при котором вращающийся объект испытывает поперечное отклонение от первоначальной траектории. В новом эксперименте похожий эффект обнаружили на атомном уровне: положение, в котором сфокусированный лазер сильнее всего взаимодействует с одиночным ионом, оказалось смещено относительно центра лазерного пучка.
Эффект наблюдали в эксперименте с одним захваченным ионом кальция-40. Величина обнаруженного смещения составила всего несколько сотен нанометров. Результат может иметь значение для квантовых вычислений, поскольку лазерное излучение используется для управления кубитами в ионных квантовых системах, а даже очень небольшие пространственные смещения могут влиять на точность квантовых операций.
Эффект Магнуса хорошо известен из классической физики. Например, вращающийся мяч для настольного тенниса во время полёта может отклониться в сторону из-за взаимодействия вращения с окружающим воздухом.
В новом эксперименте физики обнаружили не механическую силу, действующую на миниатюрный объект, а её оптический аналог. Особая структура сильно сфокусированного лазерного поля приводит к тому, что область наиболее сильного взаимодействия света с атомом оказывается смещена относительно геометрического центра пучка.
Как ион превратился в датчик света
На первый взгляд кажется очевидным, что атом должен сильнее всего взаимодействовать с лазером там, где интенсивность света максимальна — то есть в центре пучка. Однако при сильной фокусировке лазерного излучения структура электромагнитного поля становится значительно сложнее.
В поле появляются компоненты, которыми в обычных условиях можно пренебречь. В частности, возникают градиенты поляризации и продольная электрическая составляющая. Теоретически предположение о существовании поперечной оптической силы, напоминающей эффект Магнуса, было выдвинуто ещё раньше. В 2020 году физик Роберт Сприув показал, что свет может создавать смещённые относительно оси пучка силы. Непосредственно измерить такое явление на атомном уровне было значительно сложнее.
Для нового эксперимента исследователи использовали одиночный ион кальция-40, удерживаемый почти неподвижно в электромагнитной ловушке. На него направили лазер с длиной волны 729 нанометров и начали с высокой точностью перемещать сфокусированный пучок относительно иона. Сам ион при этом выполнял роль чрезвычайно чувствительного датчика.
Учёные измеряли, насколько эффективно лазер вызывает переход между различными квантовыми состояниями иона в зависимости от его положения относительно пучка. Получив карту взаимодействия, исследователи смогли определить, где именно свет воздействует на ион наиболее сильно.
«Наш ион действует как крошечный датчик, с помощью которого мы можем исследовать структуру лазерного света. Это позволяет измерять смещение всего в несколько сотен нанометров», — объяснил руководитель исследования Филип Лайнеккер из ETH Zurich.
Смещение оказалось именно таким каким его предсказывала теория
Полученные карты показали, что максимум взаимодействия света с атомом действительно смещён в сторону относительно центра лазерного пучка. При этом величина смещения зависела от внутреннего квантового состояния иона.
Для двух разных квантовых переходов исследователи измерили смещения примерно 240 ± 16 нанометров и 463 ± 20 нанометров.
Теоретические расчёты предсказывали значения около 232 и 464 нанометров соответственно. Таким образом, экспериментальные результаты хорошо совпали с теорией.
Дополнительно физики провели фазочувствительные измерения, позволившие охарактеризовать поперечные градиенты поляризации, возникающие в сильно сфокусированном лазерном пучке. Именно эти особенности структуры светового поля помогают объяснить наблюдаемое смещение.
Хотя явление напоминает эффект Магнуса, между ними существует принципиальная разница. В случае мяча его движение и вращение непосредственно приводят к появлению поперечной силы со стороны воздуха.
В новом эксперименте ничего подобного не происходит. Ион не вращается подобно мячу, а сама структура электромагнитного поля лазера изменяет положение, в котором взаимодействие света с атомом оказывается наиболее сильным.
Почему это важно для квантовых компьютеров
Результат имеет не только фундаментальное значение. Похожие лазерные поля используются для управления кубитами в квантовых компьютерах на захваченных ионах. Лазер может воздействовать не только на внутреннее квантовое состояние иона, но и связывать его внутреннее состояние с движением. Поэтому пространственная структура лазерного поля имеет непосредственное значение для точности квантовых операций.
Если подобные смещения и градиенты поляризации не учитывать, они потенциально могут становиться дополнительным источником ошибок. Теперь исследователи получили возможность непосредственно измерять этот эффект и учитывать его при разработке более точных схем управления ионами. При этом нынешняя работа не означает, что учёные уже создали квантовый компьютер, использующий оптический эффект Магнуса. Эксперимент продемонстрировал и измерил сам физический механизм.
Ранее теоретические работы предполагали, что эффекты, связанные с поперечными градиентами поляризации и силами, подобными эффекту Магнуса, могут использоваться для взаимодействия между кубитами на основе захваченных ионов. Новые измерения дают более подробное представление о том, как именно такие световые поля воздействуют на отдельный атом.
В перспективе исследователи смогут попытаться превратить обнаруженный эффект из источника потенциальных ошибок в полезный инструмент управления квантовыми системами. «Создаваемые им силы могут использоваться для связи кубитов друг с другом, что позволит выполнять более сложные вычисления», — отметил Лайнеккер.
Однако для практического применения потребуется ещё разобраться с другими оптическими несовершенствами и научиться точно контролировать параметры лазерного поля. Это особенно важно при создании более крупных квантовых процессоров, где даже небольшие источники ошибок могут существенно влиять на надёжность вычислений.
Таким образом, физики впервые не просто предположили существование оптического аналога эффекта Магнуса, а смогли непосредственно увидеть его проявление в системе из одного атомного иона. Наблюдаемое смещение оказалось меньше половины микрометра, но при этом практически совпало с предсказаниями теории.
Исследование в журнале Physical Review Letters.