Superpinsett griper ett enkelt atom

En ny og uhyre presis pinsett kan gripe fatt i ett enkelt atom. Det er et gjennombrudd i utviklingen av kvantedatamaskiner.

Den nye superpinsetten består av en energirik laserstråle som kan løfte et innesperret atom ut av fengselet sitt. (Illustrasjon: Max Planck-instituttet, München)
Den nye superpinsetten består av en energirik laserstråle som kan løfte et innesperret atom ut av fengselet sitt. (Illustrasjon: Max Planck-instituttet, München)

Fakta

Forskerne har tatt et bilde av den eggebrettformede strukturen som viser at 297 av 300 brønner er fylt med atomer. Det er en verdensrekord og langt bedre enn det andre har klart.

Fakta

Jacob Sherson har under ph.d.-studiene sine ved Københavns Universitet arbeidet med noe så eksotisk som teleportering. Han klare å flytte informasjon fra lys til stoff.
 

Superpinsetten griper fatt i det lille atomet og snur på det. Deretter setter den varsomt atomet tilbake igjen.

Inngrepet skjer så sikkert og presist at det enkelte atomet elegant vipper inn i en ny posisjon, uten at det på noen måte forstyrrer omgivelsene.

En pinsett som kan gripe fatt i atomer er ikke ren utopi, men har nylig tatt form, og designeren av pinsetten er post.doc. i kvantefysikk Jacob Sherson fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet i Danmark.

– Vi kan med voldsom presisjon fange et enkelt atom i superpinsetten. Det gjør det for første gang mulig å endre på individuelle atomers tilstand, forteller han.

De nye resultatene er sluppet gjennom nåløyet hos tidsskriftet Nature, fordi det gir store teknologiske muligheter.

Superpinsetten er nemlig et stort skritt i retningen av å utvikle en brukbar kvantedatamaskin, som vil kunne løse noen av verdens største vitenskapelige problemer og knekke hittil ubrytelige koder.

Enestående kodebrytere

En kvantedatamaskin bruker enkeltatomer som datalager. Jo flere atomer datamaskinen kan bruke, jo større hukommelse har den. Dermed blir også beregningene raskere.

Men et stort antall atomer er ikke nok til å skape en kvantedatamaskin som er konkurransedyktig med konvensjonelle datamaskiner. Maskinen må også være i stand til å lagre opplysninger og gjennomføre komplekse beregninger på en radikalt annerledes måte.

Opplysningene i en kvantedatamaskin lagres nemlig ikke som bits i form av 0 og 1, men som kvantebits. På grunn av de helt spesielle spillereglene som gjelder for enkelte atomer, kan kvantebits være både 0 og 1 samtidig. Denne parallelliteten er kilden til kvantedatamaskinens enorme kraft.

En forutsetning for at det kan utnyttes, er at man har et verktøy som kan gripe fatt i hvert enkelt atom og endre på kvantetilstanden. Og det er nettopp det den nye pinsetten kan gjøre.

Vanskelige å bygge

Den nye superpinsetten er et ledd i en banebrytende ny strategi som forskerne har brukt for å utvikle en kvantedatamaskin.

Jacob Sherson og kollegene hans bestemte seg for tre år siden for å droppe den vanlige metoden. Den går ut på å bygge en kvantedatamaskin ved å binde et større og større antall sammen atomer i en kompleks struktur. Fremgangsmåten kalles «bottom up».

Den første kvantedatamaskinen, som så dagens lys i 1998, var konstruert etter det prinsippet, men kunne bare utføre enkle beregninger som for eksempel 3x5=15.

– Det eksisterer kvantedatamaskiner i dag, men de kan bare håndtere en håndfull kvantebits, og det er så teknologisk krevende å legge til hver ny bit at det er vanskelig å forestille seg at disse metodene kan brukes til hundrevis eller tusenvis av kvantebits, sier han.

De danske forskerne kastet seg i stedet ut på dypt vann, og satset på en helt ny metode, «top down», som populært sagt går ut på å la datamaskinen bygge seg selv.

Forskernes idé var å bruke et teknisk kunstgrep på en stor sky av atomer, slik at atomene ble tvunget til å organisere seg i en eggebrettformet struktur, hvor de ble presset vekk fra hverandre og inn i hver sin «brønn» eller «celle».

Når atomene så ble holdt fast, satset forskerne på å kunne utvikle et verktøy for å gripe atomene ett for ett. (Se boks).

Den nye superpinsetten kan «fargelegge» utvalgte atomer, slik at det oppstår de fineste mønstre. Bare fantasien setter grenser for det de kan brukes til. (Illustrasjon: Max Planck-instituttet, München)
Den nye superpinsetten kan «fargelegge» utvalgte atomer, slik at det oppstår de fineste mønstre. Bare fantasien setter grenser for det de kan brukes til. (Illustrasjon: Max Planck-instituttet, München)

Fotograferte innesperrede atomer

Den strategien har nå vist seg å bære frukter.

Høsten 2010 publiserte forskerne det første store gjennombruddet i tidsskriftet Nature, hvor de viste at det var mulig å tvinge hundrevis av atomer til å organisere seg, og tvinge dem ned i dype brønner som de ikke uten videre kunne slippe ut av.

For å dokumentere at atomene faktisk oppførte seg slik, tok forskerne bilder av atomene ved hjelp av et helt nytt mikroskop med ultrahøy oppløsning, som de hadde utviklet spesielt til dette formålet. Også dette resultatet ble i sin tid publisert i Nature.

I dag, få måneder etter, har forskerne oppnådd det neste store gjennombruddet i form av den superpresise pinsetten som er i stand til å flytte rundt på atomene og manipulere kvantetilstanden deres, det såkalte spinnet.

– Pinsetten er en form for laserstråle med en ganske bestemt bølgelengde og en høy intensitet. Atomene liker nemlig å være i lys med så høy intensitet som mulig. Laserstrålen har den særlige egenskapen at den kan peke på ett atom uten å påvirke naboen, sier han.

Godt på vei

Sherson legger ikke skjul på at oppfinnelsen er en stor triumf for ham.

– Med den nye pinsetten beveger vi oss med syvmilsskritt mot en storskala-kvantedatamaskin, og vi er med den nyeste forskningen kommet to tredjedeler av veien, konstaterer han.

Forskerne mangler nå bare det siste avgjørende skrittet for å komme helt i mål, nemlig å få datamaskinen til å bruke atomene til å utføre kompliserte beregninger. En betingelse for at det skjer, er at man kan gjør en kontrollert operasjon mellom to forskjellige kvantebits.

– Vi har gode ideer til hvordan dette siste trinnet kan utføres, så vi har gode forhåpninger til at vi når målet, sier han.

Laboratorieutstyret som Sherson og kollegene hans har arbeidet med, gjør seg ikke godt på et skrivebord, så det endelige skrittet er å få laget en litt mer praktisk versjon.

– Den oppgaven klarer ikke vi – da må det kommersielle krefter til. I det øyeblikket vi har vist at det er mulig å bygge en kvantedatamaskin på denne måten, så må andre krefter komme til, sier han og smiler.

Laserstråler flytter atomer

En forutsetning for å kunne fiske opp et atom med en pinsett, er at atomet er skjøvet inn i noen feller, eller brønner, som de ikke kan slippe ut av igjen.

Den oppgaven har Jacob Sherson og kollegene hans greid ved å skjære gjennom en stor sky av atomer ved hjelp av laserstråler. Forskerne plasserte laserstrålene slik at de til sammen dannet et finmasket nett som skar gjennom atomskyen på kryss og tvers.

Gitteret skaper en rekke brønner, som er attraktive for atomene å være i, og som de derfor automatisk søker mot. Det er bare plass til ett eller to atomer i hver brønn. De ligger på rad og rekke som hullene i en eggebrett.

Ved å kjøle ned anlegget til ekstremt lave temperaturer, uhyre tett på det absolutte nullpunktet, blir brønnene dypere og dermed vanskeligere for atomene å komme seg ut av.

Når brønnene blir dypere, skyver atomene seg så langt vekk fra hverandre som mulig, og de vil derfor automatisk søke over i hver sin brønn.

I det øyeblikket atomene sitter fast, er det lett for pinsetten – en spesiell type laserstråle – å ta dem opp og manipulere dem.

Atomene som forskerne eksperimenterte med, er rubidium, som er grunnstoff nummer 37 i det periodiske system.

___________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygård for forskning.no

Lenker:

Single-spin addressing in an atomic Mott insulator

Jacob Shersons profil (AU)

Om kvantedatamaskiner (Wikipedia)

A Quantum Pen for Single Atoms (Pressemelding fra det tyske universitetet)

Jacob Sherson og teleporteringen hans

Powered by Labrador CMS