Atomen, fotonen, en andere kwantumdeeltjes zijn vaak grillig en kieskeurig van aard; zeer zelden stil, ze komen vaak in botsing met anderen van hun soort. Maar als dergelijke deeltjes individueel kunnen worden bijeengedreven en in grote aantallen kunnen worden gecontroleerd, ze kunnen worden gebruikt als kwantumbits, of qubits - kleine informatie-eenheden waarvan de toestand of oriëntatie kan worden gebruikt om berekeningen uit te voeren met snelheden die aanzienlijk sneller zijn dan de huidige op halfgeleiders gebaseerde computerchips.

In recente jaren, wetenschappers hebben manieren bedacht om individuele kwantumdeeltjes te isoleren en te manipuleren. Maar dergelijke technieken zijn moeilijk op te schalen, en het ontbreken van een betrouwbare manier om grote aantallen atomen te manipuleren blijft een belangrijke wegversperring naar quantum computing.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van Harvard en MIT hebben een manier gevonden om deze uitdaging te omzeilen. In een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Wetenschap , de onderzoekers rapporteren over een nieuwe methode waarmee ze lasers kunnen gebruiken als optisch "pincet" om individuele atomen uit een wolk te halen en op hun plaats te houden. Aangezien de atomen zijn "gevangen, " gebruiken de wetenschappers een camera om beelden van de atomen en hun locaties te maken. Op basis van deze beelden, ze manipuleren dan de hoek van de laserstralen, om individuele atomen in een willekeurig aantal verschillende configuraties te verplaatsen.

Het team heeft tot nu toe arrays van 50 atomen gemaakt en deze gemanipuleerd in verschillende defectvrije patronen, met single-atom controle. Vladan Vuletic, een van de auteurs van het artikel en de Lester Wolfe Professor of Physics aan het MIT, vergelijkt het proces met "het bouwen van een klein kristal van atomen, van de bodem, omhoog."

"We hebben een herconfigureerbare reeks vallen voor afzonderlijke atomen gedemonstreerd, waar we deterministisch tot 50 individuele atomen in afzonderlijke vallen kunnen voorbereiden, voor toekomstig gebruik bij de verwerking van kwantuminformatie, kwantumsimulaties, of precisiemetingen, " zegt Vuletic, die ook lid is van MIT's Research Laboratory of Electronics. "Het is als lego's van atomen die je opbouwt, en je kunt beslissen waar je elk blok wilt hebben."

Andere senior auteurs van de paper zijn hoofdauteur Manuel Endres en Markus Greiner en Mikhail Lukin van Harvard University.

Neutraal blijven

Het team ontwierp zijn techniek om neutrale atomen te manipuleren, die geen elektrische lading dragen. Bij de meeste andere kwantumexperimenten waren geladen atomen betrokken, of ionen, omdat hun lading ze gemakkelijker te vangen maakt. Wetenschappers hebben ook aangetoond dat ionen, onder bepaalde omstandigheden, kan worden gemaakt om kwantumpoorten uit te voeren - logische bewerkingen tussen twee kwantumbits, vergelijkbaar met logische poorten in klassieke circuits. Echter, vanwege hun geladen karakter, ionen stoten elkaar af en zijn moeilijk te assembleren in dichte arrays.

Neutrale atomen, anderzijds, geen probleem hebben om in de buurt te zijn. Het belangrijkste obstakel voor het gebruik van neutrale atomen als qubits was dat, in tegenstelling tot ionen, ze ervaren zeer zwakke krachten en worden niet gemakkelijk op hun plaats gehouden.

"De truc is om ze te vangen, en vooral, om velen van hen te vangen, " zegt Vuletic. "Mensen hebben veel neutrale atomen kunnen vangen, maar niet op een manier dat je er een vaste structuur mee zou kunnen vormen. En voor kwantumcomputers, je moet in staat zijn om specifieke atomen naar specifieke locaties te verplaatsen, met individuele controle."

De val zetten

Om individuele neutrale atomen te vangen, gebruikten de onderzoekers eerst een laser om een ​​wolk rubidiumatomen af ​​te koelen tot ultrakoud, bijna absolute nul temperaturen, de atomen vertragen van hun gebruikelijke, trajecten met hoge snelheid. Vervolgens stuurden ze een tweede laserstraal door een instrument dat de laserstraal in vele kleinere stralen splitst, waarvan het aantal en de hoek afhangen van de radiofrequentie die op de deflector wordt toegepast.

De onderzoekers focusten de kleinere laserstralen door de wolk van ultrakoude atomen en ontdekten dat de focus van elke straal - het punt waarop de intensiteit van de straal het hoogst was - een enkel atoom aantrok, het in wezen uit de cloud halen en op zijn plaats houden.

"Het is vergelijkbaar met het opladen van een kam door ermee te wrijven tegen iets wollen, en het gebruiken om kleine stukjes papier op te rapen, " zegt Vuletic. "Het is een soortgelijk proces met atomen, die worden aangetrokken door gebieden met een hoge intensiteit van het lichtveld."

Terwijl de atomen gevangen zitten, ze stralen licht uit, die de wetenschappers hebben vastgelegd met behulp van een camera met een oplaadapparaat. Door naar hun beelden te kijken, konden de onderzoekers onderscheiden welke laserstralen, of pincet, atomen vasthielden en welke niet. Ze zouden dan de radiofrequentie van elke straal kunnen veranderen om het pincet zonder atomen "uit te schakelen", en herschik die met atomen, om arrays te maken die vrij waren van defecten. Het team creëerde uiteindelijk arrays van 50 atomen die enkele seconden op hun plaats werden gehouden.

"De vraag is altijd hoeveel kwantumbewerkingen kun je in deze tijd uitvoeren?" zegt Vuletic. "De typische tijdschaal voor neutrale atomen is ongeveer 10 microseconden, dus je zou ongeveer 100 kunnen doen, 000 bewerkingen in een seconde. We denken dat dit leven voor nu prima is."

Nutsvoorzieningen, het team onderzoekt of ze neutrale atomen kunnen aanmoedigen om kwantumpoorten uit te voeren - de meest elementaire verwerking van informatie tussen twee qubits. Terwijl anderen dit hebben aangetoond tussen twee neutrale atomen, ze zijn niet in staat geweest om kwantumpoorten vast te houden in systemen met grote aantallen atomen. Als Vuletic en zijn collega's met succes kwantumpoorten kunnen induceren in hun systemen van 50 atomen of meer, ze zullen een belangrijke stap hebben gezet in de richting van het realiseren van quantum computing.

"Mensen zouden naast kwantumcomputing ook andere experimenten willen doen, zoals het simuleren van de fysica van de gecondenseerde materie, met een vooraf bepaald aantal atomen, en nu met deze techniek zou het mogelijk moeten zijn, "zegt Vuletic. "Het is heel spannend."