В области квантовых вычислений существует одна из проблем, заключающаяся в необходимости удержания «беспокойных» атомов, ионов или субатомных частиц в строго заданном месте. Это необходимо для формирования многочисленных групп связанных кубитов, которые совместными усилиями могут производить вычисления и выполнять сложные квантовые алгоритмы. Исследователи из Массачусетского технологического института и Гарвардского университета разработали новый способ захвата и удержания атомов и субатомных частиц при помощи технологии «оптического пинцета». При этом, время удержания достаточно велико для того, чтобы можно было определить точное положение каждой частицы, на каждую частицу был направлен луч лазера, который запишет или считает информацию из каждого кубита в отдельности.

«Мы создали технологию переконфигурируемой ловушки, которая может удерживать в строго заданном положении до 50 атомов одновременно» — рассказывает Владэн Вулетик (Vladan Vuletic), ученый из Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT Research Laboratory of Electronics), — «Это весьма походит на конструктор типа Лего, когда вы имеете возможность размещения блоков различной формы в необходимом месте пространства».

Помимо всего прочего новая оптическая ловушка имеет возможность захватывать и удерживать атомы, нейтральные частицы, не имеющие электрического заряда. Использование нейтральных атомов имеет целый ряд преимуществ и недостатков по сравнению с использованием заряженных частиц. Главным преимуществом является то, что атомы могут быть расположены ближе друг к другу, а главным недостатком — это то, что их очень трудно удержать в одном месте в силу их восприимчивости даже к самым слабым силам.

«Ученые ранее уже успешно пытались ловить и удерживать в ловушке нейтральные атомы. Но никому не удавалось создать из этих атомов более-менее упорядоченную структуру» — рассказывает Владэн Вулетик, — «Для квантовых вычислений же отдельные атомы практически бесполезны, для этого требуется, чтобы каждый атом находился на своем месте, чтобы иметь возможность его контроля совершенно независимо от других атомов».

Создание структуры из атомов начинается с луча лазерного света, охлаждающего облако атомов рубидия до сверхнизких температур, близких к температуре абсолютного нуля. После этого лазерный луч перенаправляется через расщепитель, который создает много параллельных лучей. Число этих лучей и углы их отклонения определяются параметрами радиочастотного сигнала, подаваемого на специальное устройство-дефлектор.

Попадая в облако охлажденных атомов, каждый из лучей захватывает один атом и удерживает его в точке самой высокой интенсивности. «Это напоминает процесс электризации расчески обо что-нибудь шерстяное и удержание маленького кусочка бумаги на этой расческе» — рассказывает Владэн Вулетик, — «Точно так же мы поступаем с отдельными атомами, которые удерживаются строго в заданной точке «расчески» лазерного луча».

Когда атомы пойманы в ловушку, они начинают излучать свет, который улавливается CCD-датчиком. Полученный моментальный снимок позволяет определить, какому из лазерных лучей «посчастливилось» поймать атом. Выключая на короткое время «пустые» лучи и включая их повторно, исследователи добиваются создания матрицы из атомов, которая не имеет дефектов. И в экспериментах ученым удавалось добиться подобного с 50 атомами рубидия, которые удерживались в заданном месте на протяжении нескольких секунд.

Несколько секунд — это достаточно короткое время. Но каждый из нейтральных атомов только за одну секунду может выполнить минимум 100 тысяч квантовых операций, и за эти несколько секунд матрица из 50 или большего количества атомов сможет произвести расчеты очень и очень сложного квантового алгоритма или обработать поистине огромный объем информации.