Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
Несмотря на существенные различия в экспериментальных методах, атомно-резонаторные и ионно-ловушечные эксперименты описываются в рамках единой простой модели. Поэтому любой эксперимент, проектируемый для КЭР имеет аналог в технике ионных ловушек и наоборот. Более того, результаты, достигнутые в этих двух методах, также приблизительно сопоставимы. В последующих разделах описываются КЭР-эксперименты в резонаторах в СВЧ диапазоне, а так же эксперименты с ионами в ловушках при взаимодействии Джейнса-Каммингса. В заключение дается обзор перспектив использования этих методов в квантовых вычислениях.
5.2.2 КЭР с атомами и резонаторами
В этом разделе представлена общая схема экспериментов по КЭР с атомами в микроволновых резонаторах. Детальное рассмотрение, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане содержится, например, в [160, 161].
Циркулярные ридберговские атомы служат исключительно ценным инструментом в экспериментах по КЭР. Такие атомы с их долгоживущими энергетическими уровнями [162, 163], имеющими главные квантовые числа п порядка 50 и максимальные орбитальные и магнитные квантовые числа, ведут себя как огромные антенны, сильно взаимодействующие с излучением миллиметрового диапазона. Матричный элемент дипольного момента перехода между циркулярными состояниями п = 51 (|е)) и п = 50 (|g)), что составляет 51.099 ГГц, оказывается порядка 1250 атомных единиц. При помещении в слабое направленное электрическое поле, которое не воздействует на другие уровни, они характеризуются большим временем жизни, достигающим 30 мс, и ведут себя как хорошие двухуровневые системы. К тому же эти уровни могут быть надежно и с большой чувствительностью зарегистрированы с помощью ионизационно-полевого метода.
В миллиметровом диапазоне можно построить качественные резонаторы на основе сверхпроводящих материалов. В экспериментах
178 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
используются резонаторы типа Фабри-Перо с ниобиевыми зеркалами и размерами порядка сантиметров. При низких температурах, таких как 0.6 К, добротность лежит в диапазоне от 108 до 109, что соответствует времени удержания фотона от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд. Это время гораздо больше, чем время взаимодействия атома с полем, составляющее несколько десятков микросекунд для атомов, имеющих тепловые скорости. При таких низких температурах тепловое поле пренебрежимо мало и вероятность найти резонатор в его основном состоянии оказывается порядка 98%.
О
Рис. 5.1. Схема установки в эксперименте с атомом в резонаторе.
Схема экспериментальной установки, используемой в университете Эколь Нормаль (Париж) [164-168], изображена на Рис.5.1. Сердцевина охлаждена до температуры 0.6 К в гелиевом (3Не - 4Не) криостате. Атомы, испущенные печкой О, отбираются по скоростям в зоне V методом оптической накачки лазерным пучком, ориентированным под определенным углом к направлению распространения атомов. Отселектированные по скоростям атомы затем приготавливаются (в В) в одном из состояний |е) или |g) при помощи последовательности лазерных импульсов и адиабатических переходов в радиочастотном диапазоне [163]. Приготовление происходит в импульсном режиме, так что циркулярные атомы генерируются в определенные моменты времени и с определенными скоростями, распределенными в интервале между 200 и 400 м/с и с точностью ±2 м/с. Положение атомов известно в любое время с точностью ±1 мм. Таким образом, атомы, проходящие через систему, могут быть подвержены селективным преоб-
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 179
разованиям. Среднее число атомов, генерируемых за каждую вспышку, поддерживается меньше единицы, так что вероятность приготовления двух атомов одновременно очень мала.
Сверхпроводящий резонатор С изготовлен из двух сферических ниобиевых зеркал, размером 2.7 см каждое. В резонаторе поддерживается поперечная электромагнитная гауссова мода с диаметром перетяжки 6 мм. При необходимости резонатор заполняется полем либо от самих атомов - через процесс резонансной связи, либо от микроволнового источника S, излучающего когерентное поле. Резонатор может быть настроен в резонанс, либо выведен из резонанса с атомным переходом путем подбора расстояния между зеркалами или при изменении частоты перехода с помощью наложения электрического поля через зеркала.
До входа в резонатор С атомы проходят через низкодобротный вспомогательный резонатор Rp в котором классический микроволновый импульс может перемешивать уровни \е) и |g). Каждый атом проходит С за время несколько десятков фемтосекунд, в течении которого происходит сильное взаимодействие между атомом и резонатор-ным полем. Постоянная связи атома с полем {О при взаимодействии Джейнса-Каммингса) составляет 012 ж = 50 кГц для атома, находящегося в центре резонатора. Эта величина соответствует скорости обмена единичным фотоном между атомом и резонаторной модой. Когда атом двигается через резонатор, связь Щг) выражается через гауссову функцию от его положения. После резонатора С импульс классического микроволнового поля может снова перемешать состояния \е> и |g> во вспомогательном резонаторе R2. Наконец, атомы достигают двух селективных по состояниям ионизационно-полевых детекторов De и Dg, с помощью которых подсчитывается число атомов в состояниях \е) и |g) с 40%-ой эффективностью.
