Лазерный мир

Исследователи из института QUEST смогли достичь крайне низкой температуры с помощью высокозаряженных ионов — этот тип ионов никогда ранее не охлаждался до 200 мкК. Команда объединила уже известные методы лазерного охлаждения связанных ионов и методов из области квантовых вычислений.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.

Algorithmic Ground-State Cooling of Weakly Coupled Oscillators Using Quantum Logic

The majority of ions and other charged particles of spectroscopic interest lack the fast, cycling transitions that are necessary for direct laser cooling. In most cases, they can still be cooled sympathetically through their Coulomb interaction with a second, coolable ion species confined in the same potential.
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041049

Лазерные лучи могут не только нагревать предметы, но и охлаждать их. В этом нет ничего нового, но сейчас физики достигли нового предела.

Для исследования ионов с максимальной точностью их нужно остановить — или, по крайней мере, очень сильно затормозить. Их скорость напрямую зависит от температуры, а значит, нужно максимально возможно их охладить. Одним из современных методов охлаждения является лазерное охлаждение — однако не каждая частица подходит для этого метода.

Учёные в течение длительного времени использовали пары связанных ионов, чтобы преодолеть эту проблему: «охлаждающий ион» охлаждается лазерами и одновременно охлаждается и его связанный ион-партнер. Только после этого исследовать второй получалось спектроскопически. Тем не менее, метод не работал в случае, когда отношение заряда к массе у двух ионов слишком сильно отличалось.

Но при чём же здесь квантовая механика? Дело в том, что связанное охлаждение основано именно на квантовых законах, поэтому ученые применили к методу инструментарий квантовых вычислений. Квантовые алгоритмы (по сути, манипуляция отдельными квантами) может использоваться не только для выполнения вычислений с помощью квантового компьютера, но также для извлечения кинетической энергии из несовпадающей пары ионов. В процессе «алгоритмического» охлаждения квантовые операции используются именно для передачи энергии от исследуемого иона к «охлаждающему» иону.

Им удалось сделать это крайне эффективно: температура пары иона бериллия и иона аргона упала до 200 мкК. Более того, при такой температуре наблюдался беспрецедентно низкий уровень флуктуаций электрического поля, который нагревал бы ионы после окончания охлаждения. Таким образом, учёные лишились ещё одного препятствия для разработки атомных часов на основе высокозаряженных ионов — ещё более точных, чем существующие сейчас. 

Источник: https://www.popmech.ru/science/news-786053-uchyonym-udalos-ostanovit-iony/