Атом «съехал» на полмикрона: физики впервые увидели эффект Магнуса в свете
Ученые впервые измерили необычный «изгиб» взаимодействия света и атома
Физики впервые экспериментально зарегистрировали оптический аналог эффекта Магнуса на одиночном ионе. Эксперимент показал, что при сканировании сильно сфокусированного лазерного луча максимум его взаимодействия с одиночным ионом может быть смещен относительно положения, ожидаемого из простой модели распределения интенсивности света. Такой эффект может иметь значение для квантовых компьютеров, в которых лазеры используются для управления кубитами.
Изображение сгенерировано Gemini // Источник изображения: Gemini
Классический эффект Магнуса хорошо знаком по полету вращающегося мяча: вращение создает боковую силу, из-за которой траектория мяча искривляется. Теоретически оптический аналог этого явления предсказывали и раньше, однако непосредственно наблюдать его на атомном уровне до сих пор не удавалось.
В эксперименте исследователи удерживали практически неподвижный одиночный ион кальция-40 в электромагнитной ловушке. На него направляли сильно сфокусированный лазер с длиной волны 729 нм и постепенно перемещали луч относительно иона. Сам ион при этом фактически выступал в роли микроскопического датчика структуры светового поля.
Ученые измеряли вероятность переходов между различными квантовыми состояниями иона в зависимости от его положения относительно лазерного луча. Оказалось, что максимум взаимодействия происходил не в той точке, которую можно было бы ожидать, ориентируясь только на распределение интенсивности света.
Для двух исследованных квантовых переходов смещение составило 240 ± 16 и 463 ± 20 нм. Теоретические расчеты предсказывали значения 232 и 464 нм соответственно, то есть эксперимент практически совпал с расчетной моделью.
Причина связана со сложной электромагнитной структурой сильно сфокусированного света. При такой фокусировке становятся существенными продольная составляющая электрического поля и пространственные изменения поляризации. В более простых моделях лазерного луча этими эффектами обычно можно пренебречь.
Для квантовых компьютеров это имеет практическое значение. В ионных квантовых процессорах лазеры управляют состояниями отдельных кубитов. Пространственные смещения и неоднородность поляризации могут связывать внутреннее квантовое состояние иона с его движением, создавая дополнительные ошибки при выполнении операций.
При этом тот же эффект потенциально можно использовать в качестве инструмента. Теоретические работы уже рассматривали возможность применения связанных с ним оптических сил для взаимодействия между ионными кубитами и реализации более сложных квантовых операций.
Нынешний эксперимент таких вычислений не демонстрирует. Его главное достижение — прямое измерение оптического аналога эффекта Магнуса на одиночном ионе и получение подробной карты взаимодействия атома с сильно сфокусированным светом. Следующий шаг — выяснить, насколько точно этим эффектом можно управлять и удастся ли использовать его непосредственно в квантовых процессорах.