Смещение атома на полмикрона: физики впервые зафиксировали эффект Магнуса в оптическом поле

Физики впервые экспериментально зафиксировали оптическое проявление эффекта Магнуса на изолированном ионе. Опыт продемонстрировал, что во время сканирования высококонцентрированного лазерного луча пик его взаимодействия с атомной частицей способен смещаться относительно прогнозов, основанных на базовой модели световой интенсивности. Подобное явление представляет практический интерес для сферы квантовых вычислений, где лазерные установки задействуются для контроля над кубитами.

Классический эффект Магнуса наглядно проявляется при движении закрученного мяча: вращение порождает поперечную силу, искривляющую его траекторию. Хотя теоретическое существование светового аналога этого процесса было предсказано давно, зафиксировать его на квантовом уровне до сих пор не удавалось.

В ходе научной работы специалисты зафиксировали стационарный одиночный ион кальция-40 внутри электромагнитной ловушки. На него воздействовали лазером с длиной волны 729 нм и прецизионно сдвигали луч относительно атома, который фактически выполнял функции миниатюрного зонда для анализа структуры светового поля.

Физики фиксировали вероятность квантовых переходов иона в зависимости от его пространственного расположения касательно лазерного луча. Выяснилось, что пиковые показатели взаимодействия фиксировались вовсе не в той точке, которая прогнозировалась на основе стандартного распределения интенсивности света.

Для двух изученных квантовых переходов величина сдвига равнялась 240 ± 16 и 463 ± 20 нм. Полученные эмпирические данные практически полностью совпали с теоретическими прогнозами, составлявшими 232 и 464 нм соответственно.

Подобный феномен обусловлен сложной электромагнитной архитектурой сильно сфокусированного излучения. В подобных условиях ключевую роль начинают играть продольные компоненты электрического поля и локальные вариации поляризации, которыми в стандартных приближениях обычно пренебрегают.

Полученные результаты имеют важное значение для архитектуры квантовых компьютеров. В ионных процессорах лазеры отвечают за манипуляцию состоянием кубитов. Возникающие пространственные погрешности способствуют нежелательной связи между внутренним квантовым состоянием иона и его механическим движением, порождая дополнительные вычислительные ошибки.

Тем не менее, обнаруженный эффект можно обратить на пользу. В теории рассматривается перспектива использования сопутствующих световых сил для организации взаимодействия между ионными кубитами и проведения продвинутых квантовых алгоритмов.

Текущее исследование пока не реализует подобные вычисления на практике. Главным прорывом стало именно экспериментальное подтверждение оптического аналога эффекта Магнуса на отдельном ионе и составление детальной карты взаимодействия атома со сфокусированным световым потоком. Дальнейшая задача ученых — оценить степень управляемости этим явлением и понять, получится ли задействовать его непосредственно в архитектуре квантовых процессоров.

Источник: iXBT