En grupp fysiker från University of Wisconsin–Madison har identifierat förhållanden under vilka relativt avlägsna atomer kommunicerar med varandra på sätt som tidigare bara setts i atomer närmare varandra - en utveckling som kan ha tillämpningar för kvantberäkning.

Fysikernas fynd, publicerad 14 oktober i tidskriften Fysisk granskning A , öppna upp nya möjligheter för att generera intrasslade atomer, termen som ges till atomer som delar information på stora avstånd, som är viktiga för kvantkommunikation och utvecklingen av kvantdatorer.

"Att bygga en kvantdator är väldigt tufft, så ett tillvägagångssätt är att du bygger mindre moduler som kan prata med varandra, säger Deniz Yavuz, en fysikprofessor från UW–Madison och senior författare till studien. "Denna effekt vi ser kan användas för att öka kommunikationen mellan dessa moduler."

Scenariot beror på samspelet mellan ljus och elektronerna som kretsar runt atomer. En elektron som har träffats med en foton av ljus kan exciteras till ett högre energitillstånd. Men elektroner avskyr överflödig energi, så de kastar snabbt ut det genom att sända ut en foton i en process som kallas förfall. De fotoner atomerna frigör har mindre energi än de som förstärkte elektronen - samma fenomen som får vissa kemikalier att fluorescera, eller någon manet för att ha en grönglödande ring.

"Nu, problemet blir väldigt intressant om du har mer än en atom, " säger Yavuz. "Närvaron av andra atomer modifierar sönderfallet av varje atom; de pratar med varandra."

Om en enda atom sönderfaller på en sekund, till exempel, då kan en grupp av samma typ av atom sönderfalla på mindre – eller mer – än en sekund. Tidpunkten beror på förhållandena, men alla atomer sönderfaller i samma takt, antingen snabbare eller långsammare. Än så länge, denna typ av korrelation har bara observerats om atomerna är inom ungefär en våglängd av det emitterade ljuset från varandra. För rubidiumatomer, används av Yavuz och hans kollegor, det betyder inom 780 nanometer – precis vid kanten mellan våglängden för rött och infrarött ljus.

Forskarna ville se hur större avstånd mellan atomerna skulle påverka sönderfallet av rubidiumatomer. Om den rådande idén var korrekt, då skulle två rubidiumatomer längre ifrån varandra än 780 nanometer fungera som enskilda atomer, var och en ger den karakteristiska enatoms sönderfallsprofilen.

I deras experiment, de immobiliserade först en grupp rubidiumatomer genom att laserkyla dem till strax över absolut noll, temperaturen vid vilken atomrörelsen upphör. Sedan, de lyste en laser vid rubidiums excitationsvåglängd för att aktivera elektroner, som sönderfaller medan de sänder ut en foton vid de karakteristiska 780 nm. De kunde sedan mäta intensiteten av den emitterade fotonen över tid och jämföra den med sönderfallsprofilen för en enda rubidiumatom.

"I vårat fall, vi visade att atomerna kan vara så långt borta som fem gånger våglängden, och fortfarande är dessa gruppeffekter uttalade - sönderfallet kan vara snabbare än om atomen vore där av sig själv, eller långsammare, " säger Yavuz. "Det andra vi visade är, om du tittar på tidsdynamiken i förfallet, den kan börja snabbt och sedan bli långsammare. Det växlar, och den omkopplaren hade aldrig setts förut."

Med dessa nya insikter om att bygga korrelationer mellan atomer, Yavuz och hans forskargrupp undersöker kvantberäkningstillämpningarna av sina fynd. De undersöker vilka experimentella förhållanden som leder till olika typer av korrelerade tillstånd, vilket kan leda till intrassling och effektiv överföring av kvantinformation.