Квантовый прорыв: физики научились «программировать» атомы светом без магнитных полей
Группа исследователей с физического факультета Вильнюсского университета представила теоретическую модель, которая кардинально меняет подход к управлению квантовыми системами. В основе разработки — возможность «программировать» атомы с помощью света, полностью отказавшись от внешних магнитных полей.
Суть метода заключается в двухэтапном процессе. Сначала световой пучок задаёт начальное состояние атомной среды, словно записывая на неё «программу». Затем эта предварительно подготовленная среда активно взаимодействует с лазерными пучками, изменяя их форму и поляризацию. Ключевой элемент модели — оптические вихри, то есть пучки со спиральной структурой волнового фронта. В центре такого вихря интенсивность света падает до нуля, образуя тёмное ядро. Размер этого ядра определяется топологическим зарядом, который может принимать любые целые значения — как положительные, так и отрицательные.
Практическая значимость этого открытия огромна. Используя оптические вихри, можно получить до 10 000 различных состояний. Это позволяет кодировать информацию не в привычных кубитах (с двумя состояниями), а в кудитах — многоуровневых квантовых единицах, что exponentially увеличивает вычислительную мощность.
Как это работает: обратная связь света и атомов
Для управления векторными вихрями учёные смоделировали взаимодействие пучка с атомным газом, где каждый атом имеет три энергетических уровня. Подготовленная среда «наследует» пространственный рисунок света: в одних зонах атомы сильно поглощают излучение, в других становятся почти прозрачными. Возникает эффект обратной связи — атомный отклик перестраивает сам пучок. Простая кольцевая структура трансформируется в сложный лепестковый рисунок с несколькими яркими областями вокруг центра, и поляризационная структура также претерпевает изменения.
Раньше подобный контроль требовал мощных внешних магнитных полей и громоздкого оборудования. Новая модель предлагает элегантное и компактное решение.
Теоретически эта разработка открывает путь к созданию более быстрых квантовых процессоров, высокозащищённых квантовых коммуникационных сетей и сверхточных оптических датчиков.
Мнение эксперта. Данное исследование — важный шаг к практическим квантовым технологиям. Отказ от магнитных полей не только упрощает архитектуру устройств, но и снижает уровень шума, что критически важно для стабильной работы кудитов. Если модель будет успешно реализована экспериментально, мы можем увидеть коммерческие квантовые системы нового поколения уже в ближайшие 5–7 лет.