Een groep natuurkundigen van de Universiteit van Wisconsin-Madison heeft omstandigheden geïdentificeerd waaronder relatief verre atomen met elkaar communiceren op manieren die voorheen alleen werden gezien in atomen die dichter bij elkaar stonden - een ontwikkeling die toepassingen zou kunnen hebben voor kwantumcomputing.

De bevindingen van de fysici, gepubliceerd op 14 oktober in het tijdschrift Fysieke beoordeling A , nieuwe perspectieven openen voor het genereren van verstrengelde atomen, de term die wordt gegeven aan atomen die informatie delen op grote afstanden, die van belang zijn voor kwantumcommunicatie en de ontwikkeling van kwantumcomputers.

"Het bouwen van een kwantumcomputer is erg moeilijk, dus een benadering is dat je kleinere modules bouwt die met elkaar kunnen praten, " zegt Deniz Yavuz, een UW-Madison natuurkunde professor en senior auteur van de studie. "Dit effect dat we zien, kan worden gebruikt om de communicatie tussen deze modules te vergroten."

Het voorliggende scenario hangt af van het samenspel tussen licht en de elektronen die om atomen draaien. Een elektron dat is geraakt met een foton van licht kan worden geëxciteerd naar een hogere energietoestand. Maar elektronen hebben een hekel aan overtollige energie, dus werpen ze het snel af door een foton uit te zenden in een proces dat bekend staat als verval. De fotonen die vrijkomen hebben minder energie dan de fotonen die het elektron opvoerden - hetzelfde fenomeen dat ervoor zorgt dat sommige chemicaliën fluoresceren, of een kwal om een ​​groen-gloeiende ring te hebben.

"Nutsvoorzieningen, het probleem wordt erg interessant als je meer dan één atoom hebt, " zegt Yavuz. "De aanwezigheid van andere atomen wijzigt het verval van elk atoom; ze praten met elkaar."

Als een enkel atoom in één seconde vervalt, bijvoorbeeld, dan kan een groep van hetzelfde type atoom in minder of meer dan een seconde vervallen. De timing is afhankelijk van de omstandigheden, maar alle atomen vervallen met dezelfde snelheid, ofwel sneller ofwel langzamer. Tot dusver, dit type correlatie is alleen waargenomen als de atomen zich binnen ongeveer één golflengte van het uitgezonden licht van elkaar bevinden. Voor rubidium-atomen, gebruikt door Yavuz en zijn collega's, het betekent binnen 780 nanometer - precies op de rand tussen de golflengte van rood en infrarood licht.

De wetenschappers wilden zien hoe grotere afstanden tussen de atomen het verval van rubidium-atomen zouden beïnvloeden. Als het heersende idee juist was, dan zouden twee rubidium-atomen verder dan 780 nanometer zich als individuele atomen gedragen, elk geeft het karakteristieke vervalprofiel van één atoom.

In hun experimenten, ze hebben eerst een groep rubidium-atomen geïmmobiliseerd door ze met een laser te koelen tot net iets boven het absolute nulpunt, de temperatuur waarbij atomaire beweging stopt. Vervolgens, ze schenen met een laser op de excitatiegolflengte van rubidium om elektronen te activeren, die vervallen terwijl ze een foton uitzenden bij de karakteristieke 780 nm. Vervolgens konden ze de intensiteit van dat uitgezonden foton in de loop van de tijd meten en vergelijken met het vervalprofiel van een enkel rubidiumatoom.

"In ons geval, we hebben aangetoond dat de atomen tot vijf keer de golflengte kunnen zijn, en toch zijn deze groepseffecten uitgesproken - het verval kan sneller zijn dan wanneer het atoom er alleen zou zijn, of langzamer, " zegt Yavuz. "Het tweede wat we lieten zien is, als je kijkt naar de tijddynamiek van het verval, het kan snel beginnen en dan langzamer worden. Het schakelt, en die schakelaar was nog nooit eerder gezien."

Met deze nieuwe inzichten in het bouwen van correlaties tussen atomen, Yavuz en zijn onderzoeksgroep onderzoeken de kwantumcomputertoepassingen van hun bevindingen. Ze onderzoeken welke experimentele omstandigheden leiden tot verschillende soorten gecorreleerde toestanden, wat kan leiden tot verstrengeling en efficiënte overdracht van kwantuminformatie.