Эти данные могут найти применение при разработке ячеек квантовой памяти для квантовых компьютеров, где переносчиком информации служит свет, а в качестве хранителя этой информации выступают атомы.
Сейчас исследователи изучают особенности флуоресценции атомных ансамблей в разных условиях, в том числе при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю (порядка 0,0001 Кельвинов или -273оС). В таком состоянии атомы взаимодействуют друг с другом, образуя «сгустки» — атомные кластеры, излучение которых сильно отличается от светимости отдельных атомов. При этом если электроны в атомах такого кластера колеблются синхронно, они создают интенсивное спонтанное излучение, которое можно использовать в квантовой информатике. В обратном случае, если электроны в атомах колеблются асинхронно, излучение оказывается более тусклым.
Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого исследовали, как незначительное на первый взгляд тепловое движение влияет на флуоресценцию атомных структур. Авторы рассмотрели атомные ансамбли, охлажденные до -273оС и возбужденные импульсным лазерным излучением. При этом исследователи изучили свечение атомов на трех временных масштабах. Первый — стадия сверхизлучения, во время которой электроны в атомах колебались синхронно и излучали быстро, что сопровождалось высокой интенсивностью света. Второй — стадия пленения света, при которой излученные атомами фотоны — частицы света — рассеивались по среде и могли вторично поглощаться и излучаться. Третий — стадия субизлучения, — когда флуоресценция затухала очень медленно.
Оказалось, что на всех трех стадиях тепловое движение повлияло на характер флуоресценции по сравнению с идеализированным случаем абсолютно неподвижных атомов. В ряде случаев нагревание приводит не к ожидаемому ослаблению эффектов сверхизлучения и субизлучения, а, напротив, к их усилению. Так, мгновенная скорость затухания флуоресценции при температуре в районе -273оС отличается в 2–3 раза по сравнению с модельным случаем абсолютно неподвижных атомов. Полученные данные позволят, незначительно меняя температуру системы, контролировать свечение атомных конгломератов и использовать их для решения проблем квантовой информатики.
«В дальнейшем мы планируем применить разработанную теорию, чтобы описать изменения свечения примесных атомов в твердых телах. Тепловые колебания твердотельных примесей могут оказывать существенное влияние на их флуоресценцию. При этом в данной тематике остается еще немало вопросов, которые требуют более тщательного исследования», — рассказал руководитель проекта Алексей Курапцев, доцент, ведущий научный сотрудник Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review A.
