Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας απάντησαν σε ένα ερώτημα που απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες: αν τα ιόντα του μετάλλου υττερβίου μπορούν να παραμείνουν σε ορισμένες μακρόβιες, σχεδόν σταθερές καταστάσεις και για πόσο χρονικό διάστημα. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι αυτές οι καταστάσεις μπορεί να έχουν σημαντικές εφαρμογές στους κβαντικούς υπολογιστές και στα ατομικά ρολόγια.
Τα ιόντα υττερβίου στο επίκεντρο της έρευνας
Πολλά σύγχρονα ατομικά ρολόγια και κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται σε παγιδευμένα ιόντα. Τα ιόντα είναι ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα που μπορούν να συγκρατούνται στο κενό με τη χρήση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Η λειτουργία των συστημάτων αυτών εξαρτάται από τον ακριβή έλεγχο των ενεργειακών καταστάσεων στις οποίες βρίσκονται τα ιόντα.
Το ιόν υττερβίου (Yb⁺) αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους υποψήφιους για τέτοιες εφαρμογές. Οι ερευνητές κατάφεραν να το μεταφέρουν με λέιζερ σε διάφορες μετασταθείς καταστάσεις, δηλαδή καταστάσεις που δεν είναι απολύτως σταθερές, αλλά μπορούν να διαρκέσουν πολύ περισσότερο από τις συνηθισμένες διεγερμένες καταστάσεις.
Καταστάσεις που διαρκούν από δευτερόλεπτα έως και περισσότερο από 30
Στο εργαστήριο του Rene Gerritsma στο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ, η ομάδα παγίδευσε ένα ιόν Yb⁺ και το διέγειρε με λέιζερ σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα. Καθώς το ιόν επέστρεφε σε χαμηλότερες καταστάσεις, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ορισμένες από αυτές ήταν επίσης μετασταθείς.
Οι μετρήσεις κατέγραψαν καταστάσεις με διάρκεια ζωής περίπου 1 και 10 δευτερολέπτων, ενώ υπήρχαν ενδείξεις και για μια κατάσταση που διαρκεί περισσότερο από 30 δευτερόλεπτα. Για να πραγματοποιήσουν τις μετρήσεις, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν δύο παγιδευμένα ιόντα. Το ένα χρησιμοποιήθηκε για τις φασματοσκοπικές μετρήσεις, ενώ το δεύτερο βοηθούσε στη συνεχή ψύξη και σταθεροποίηση του συστήματος χωρίς να διαταράσσει την κατάσταση που μελετούσαν.
Πιθανές εφαρμογές στους κβαντικούς υπολογιστές
Οι νέες καταστάσεις μπορεί να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην κβαντική τεχνολογία. Οι ερευνητές εστιάζουν ιδιαίτερα στην κατάσταση με διάρκεια ζωής περίπου 1 δευτερόλεπτο, καθώς οι υπολογισμοί δείχνουν ότι μπορεί να επιτευχθεί σχετικά εύκολα από τη θεμελιώδη κατάσταση με έναν μόνο παλμό λέιζερ.
Ο συνδυασμός της διάρκειας ζωής και της ισχύος της μετάβασης θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την ανίχνευση των καταστάσεων των κβαντικών bit, γνωστών ως qubits, αλλά και των πιο γενικευμένων qudits στα ιόντα υττερβίου.
Παράλληλα, η έρευνα απαντά σε ένα ερώτημα ηλικίας 35 ετών. Οι θεωρητικοί φυσικοί Fawcett και Wilson είχαν προβλέψει διάρκεια ζωής 5,2 δευτερολέπτων για την ίδια κατάσταση και είχαν ζητήσει πειραματική επιβεβαίωση. Η νέα μέτρηση επιβεβαιώνει την πρόβλεψη με αξιοσημείωτη ακρίβεια, παρά την εξαιρετικά περίπλοκη ενεργειακή δομή του ιόντος Yb⁺.