Atomer, fotoner, och andra kvantpartiklar är ofta nyckfulla och finurliga av natur; mycket sällan stillastående, de krockar ofta med andra i sitt slag. Men om sådana partiklar kan individuellt korraleras och kontrolleras i stort antal, de kan utnyttjas som kvantbitar, eller qubits-små informationsenheter vars tillstånd eller orientering kan användas för att utföra beräkningar med hastigheter som är betydligt snabbare än dagens halvledarbaserade datorchips.

Under de senaste åren har forskare har kommit på sätt att isolera och manipulera enskilda kvantpartiklar. Men sådana tekniker har varit svåra att skala upp, och bristen på ett tillförlitligt sätt att manipulera ett stort antal atomer är fortfarande en betydande vägspärr mot kvantberäkning.

Nu, forskare från Harvard och MIT har hittat en väg kring denna utmaning. I ett papper publicerat idag i tidningen Vetenskap , forskarna rapporterar om en ny metod som gör det möjligt för dem att använda lasrar som optiska "pincetter" för att plocka ut enskilda atomer från ett moln och hålla dem på plats. När atomerna är "instängda, "forskarna använder en kamera för att skapa bilder av atomerna och deras platser. Baserat på dessa bilder, de manipulerar sedan laserstrålarnas vinkel, för att flytta enskilda atomer till valfritt antal olika konfigurationer.

Teamet har hittills skapat matriser med 50 atomer och manipulerat dem till olika defektfria mönster, med enkelatomskontroll. Vladan Vuletic, en av tidningens författare och Lester Wolfe professor i fysik vid MIT, liknar processen med att "bygga en liten kristall av atomer, från botten, upp."

"Vi har visat en omkonfigurerbar uppsättning fällor för enstaka atomer, där vi kan förbereda upp till 50 individuella atomer i separata fällor deterministiskt, för framtida användning vid kvantinformationsbehandling, kvantsimuleringar, eller precisionsmätningar, "säger Vuletic, som också är medlem i MIT:s forskningslaboratorium för elektronik. "Det är som Legos of atoms som du bygger upp, och du kan bestämma var du vill att varje block ska vara. "

Tidningens andra seniorförfattare är huvudförfattaren Manuel Endres och Markus Greiner och Mikhail Lukin från Harvard University.

Håller dig neutral

Teamet utformade sin teknik för att manipulera neutrala atomer, som inte bär någon elektrisk laddning. De flesta andra kvantexperiment har involverat laddade atomer, eller joner, eftersom deras laddning gör dem lättare fällbara. Forskare har också visat att joner, under vissa förutsättningar, kan göras för att utföra kvantportar - logiska operationer mellan två kvantbitar, liknande logiska grindar i klassiska kretsar. Dock, på grund av deras laddade natur, joner stöter bort varandra och är svåra att montera i täta matriser.

Neutrala atomer, å andra sidan, har inga problem att vara i närheten. Det största hindret för att använda neutrala atomer som qubits har varit att, till skillnad från joner, de upplever mycket svaga krafter och hålls inte lätt på plats.

"Tricket är att fånga dem, och i synnerhet att fånga många av dem, "Säger Vuletic." Människor har kunnat fånga många neutrala atomer, men inte på ett sätt som du kan bilda en vanlig struktur med dem. Och för kvantberäkning, du måste kunna flytta specifika atomer till specifika platser, med individuell kontroll. "

Inställning av fällan

För att fånga enskilda neutrala atomer, forskarna använde först en laser för att kyla ett moln av rubidiumatomer till ultrakallt, nära absolut noll temperaturer, saktar ner atomerna från sina vanliga, höghastighetsbanor. De riktade sedan en andra laserstråle genom ett instrument som delar upp laserstrålen i många mindre strålar, vars antal och vinkel beror på radiofrekvensen som appliceras på deflektorn.

Forskarna fokuserade de mindre laserstrålarna genom molnet av ultrakylda atomer och fann att varje stråls fokus - den punkt där strålens intensitet var högst - lockade en enda atom, i huvudsak plocka ut det från molnet och hålla det på plats.

"Det liknar att ladda upp en kam genom att gnugga den mot något ull, och använda den för att plocka upp små pappersbitar, "Vuletic säger." Det är en liknande process med atomer, som lockas till områden med hög intensitet i ljusfältet. "

Medan atomerna är instängda, de avger ljus, som forskarna fångade med en laddningskopplad kamera. Genom att titta på deras bilder, forskarna kunde urskilja vilka laserstrålar, eller pincett, höll atomer och som inte var det. De kunde sedan ändra radiofrekvensen för varje stråle för att "stänga av" pincetten utan atomer, och ordna om de med atomer, för att skapa matriser som var fria från defekter. Teamet skapade slutligen arrays med 50 atomer som hölls på plats i upp till flera sekunder.

"Frågan är alltid, hur många kvantoperationer kan du utföra under denna tid? "säger Vuletic." Den typiska tidsskalan för neutrala atomer är cirka 10 mikrosekunder, så du kan göra ungefär 100, 000 operationer på en sekund. Vi tycker att den här livstiden är bra för närvarande. "

Nu, laget undersöker om de kan uppmuntra neutrala atomer att utföra kvantportar - den mest grundläggande behandlingen av information mellan två qubits. Medan andra har visat detta mellan två neutrala atomer, de har inte kunnat behålla kvantportar i system som omfattar ett stort antal atomer. Om Vuletic och hans kollegor framgångsrikt kan inducera kvantportar i sina system med 50 atomer eller mer, de kommer att ha tagit ett betydande steg mot att förverkliga kvantberäkning.

"Människor skulle också vilja göra andra experiment förutom kvantberäkning, som att simulera fysik av kondenserad materia, med ett förutbestämt antal atomer, och nu med denna teknik borde det vara möjligt, "Säger Vuletic." Det är väldigt spännande. "