מערכת חדשה לגילויו של אטום יחיד – לשימוש במיחשוב קוונטי

מדענים פיתחו שיטה חדשה לגילוי בזמן אמת של אטומים נייטרלים פרטניים הנעים בחופשיות, שרגישותה ודיוקה, המגיעים עד כדי 99.7%, מאפשרים את גילויו של אטום יחיד בפחות ממיליונית השנייה, פי עשרים מהיר יותר מהשיטות הקודמות הטובות ביותר

מדענים פיתחו שיטה חדשה לגילוי בזמן אמת של אטומים נייטרלים פרטניים הנעים בחופשיות, שרגישותה ודיוקה, המגיעים עד כדי 99.7%, מאפשרים את גילויו של אטום יחיד בפחות ממיליונית השנייה, פי עשרים מהיר יותר מהשיטות הקודמות הטובות ביותר.

המערכת, שתוארה באתר האינטרנט של כתב-העת המדעי Nature Physics, ע”י חוקרים ממכון JQI שבמדינת מרילנד, ארה”ב ומאוניברסיטה בצ'ילה (Universidad de Concepción), משתמשת באמצעים חדשניים לשינוי קיטובה של קרן לייזר הכלואה בין שתי מראות עתירות-שיקוף ומאפשרת בכך למדענים “לראות” אטומים החולפים דרכה באמצעות הפוטונים הייחודיים שהם מפזרים.

היכולת לגלות פרודות ואטומים פרטניים הינה חיונית לקידומם של תחומים רבים, ביניהם מידע קוונטי, גילוי כימי ואבחון ביוכימי.

“מערכות קיימות הינן איטיות מידי מכדי לגלות אטומים פרטניים נעים, ובשל כך אין ממש אפשרות להשפיע עליהם לפני היעלמותם. העבודה שלנו פוטרת את החוקרים מאילוצי זמן,” אומר הכותב השותף David Norris. “יתרה מכך, קשה להבדיל בין גילוי אמיתי של אטום לבין שגיאה חיובית (false positive) אקראית מבלי לאסוף מידע בפרק זמן ארוך. המערכת שלנו גם מסננת את האותות וגם מפחיתה את זמן הגילוי.”

המדענים לכדו וקיררו אוסף אטומים קטן (במקרה הנ”ל – אטומי רובידיום) בתוך מיכל ריק כך שהם נעים מטה באיטיות, אחד אחר השני, דרך חריר שקוטרו מילימטר וחצי, אל תחתיתו של מיכל לכידה. [ראו איור 1]. לאחר מכן האטומים ממשיכים לנוע מטה כשמונה סנטימטרים עד אשר הם נכנסים לתא קטן, או חלל, המצויד בשני צידיו במראות עתירות-שקיפות הפונות אחת מול השנייה במרחק של 2 מילימטרים. דרך מרכזן של שתי המראות חוצה קרן לייזר באורך גל של 780 ננומטרים – מעט גבוה מקרן אור אדומה הנראית לעין. הקרן מעוררת את האטום הנופל בין שתי המראות וגורמת לו לפלוט קרינת פוטונים לכל הצדדים.

למרות שהמערך מוכר במעבדות מחקר הבוחנות את יחסי-הגומלין בין אטומים ופוטונים למערכת החדישה, מאידך גיסא, יש שני מאפיינים מקוריים ייחודיים.

ראשית, החוקרים משתמשים בשני קיטובים של הקרן העוברת בחלל: אחד (אופקי) המושרה פנימה לשם ערור יעיל של האטומים והשני (אנכי) המופיע רק כאשר הוא נפלט מאטום המצוי בחלל. [ראו איור 2].

למרות שה”נפילה” של האטום דרך המיכל אורכת רק חמש מיליוניות השנייה, זמן זה ארוך פי מאתיים מהזמן הנדרש לאטומים להיות מעוררים אנרגטית ולפלוט פוטונים, כך שתהליך זה יכול להתרחש מספר פעמים רב לפני שהאטום מסיים את מסעו במיכל.

שנית, החוקרים ייצרו שדה מגנטי בתוככי החלל, הגורם לקרן הלייזר המקוטבת להיות מוסטת במקצת כאשר נוכח במיכל אטום. תופעה זו, הידועה בשם “תוצא פראדיי” (Faraday effect), הינה חלשה ביותר באופן טיפוסי עבור אטום יחיד. אולם, מאחר והקרן המשתקפת באמצעות המראות פוגעת באטום כעשרת אלפים פעמים, התוצאה הינה הטיה גדולה יותר, של מספר מעלות. בעקבות כך, ניתן “לראות” את האטומים ביתר קלות.

בסופו של דבר, האור יוצא מהמיכל ועובר דרך מפצל אלומה קוטבי אשר מנתב את הפוטונים, חלקם אל גלאי אחד (אנכי) וחלקם השני לגלאי נוסף (אופקי). כל פוטון המגיע לגלאי נותן חתימת זמן ייחודית. [ראו איור 3].

למרות שהגלאי לאור המקוטב אנכית אמור להיות רגיש לקרן שמקורה באטום שמצוי בחלל המיכל בלבד, לעיתים ניתן לשטות בו גם ע”י קרינה מקרית הקיימת בחדר המדידה. אולם, מאחר שכל אטום מוליד מספר אירועי פליטה של פוטונים, תיווצר אסופת פוטונים בכל מקרה בו אטום יחיד חוצה את המראות. זוהי בדיוק החתימה שהחוקרים יכלו להשתמש בה בכדי לוודא גילוי אמיתי של אטום.

“הקושי העיקרי טמון בוידוא שלנו כי הגלאי באמת רגיש דיו להבחין באטום יחיד, ולא רק בקבוצות גדולות שלהם,” אומר החוקר.

“למרבה המזל, הסטטיסטיקה של האור משמשת כטביעת אצבע עבור פליטה חד-אטומית, ואנו הצלחנו להשתמש במידע זה בעזרת המערכת שלנו.”

הידיעה ממכון המחקר