Свет программирует атомы без внешних магнитных полей

Исследователи с физического факультета Вильнюсского университета предложили теоретическую модель, в которой оптические вихри — лазерные пучки со спиральной структурой волнового фронта и нулевой интенсивностью в центре — используются для предварительного «программирования» атомного газа и одновременного изменения формы и поляризации самих пучков.

В модели атомы описаны как трехуровневая система. Оптическое поле задаёт пространственную карту взаимодействия: в одних областях атомы сильнее поглощают излучение, в других становятся почти прозрачными. Реакция среды возвращается к пучку и перестраивает его интенсивность и поляризацию.

По расчётам авторов, исходная кольцевая структура пучка может преобразоваться в лепестковый рисунок с несколькими яркими зонами вокруг центра, а поляризация света приобретает сложную пространственную зависимость.

Ключевой параметр модели — топологический заряд оптического вихря. В предложенной схеме заряд может принимать любые целые положительные и отрицательные значения. Авторы оценивают, что на практике можно получить до 10 000 различных состояний пучка, что позволяет кодировать информацию в многомерных кьюдитах вместо двоичных кубитов.

Метод не требует внешних магнитных полей или сложного магнитного оборудования, в отличие от ряда прежних схем управления векторными вихрями и квантовыми состояниями света.

Работа имеет теоретический характер: в статье представлены модели и численные расчёты, но экспериментальной демонстрации эффекта нет. Авторы отмечают необходимость лабораторной проверки реализуемости схемы и оценки её устойчивости к шумам и технологическим ограничениям.

Авторы указывают на возможные применения модели для ускорения квантовых вычислений, повышения защищённости квантовых каналов связи и создания оптических датчиков с высокой точностью.

В качестве дополнительного контекста 17 июня Sandia National Laboratories и Quantinuum опубликовали рецензируемую статью о 98-кубитном квантовом компьютере Helios, что отражает интерес к разным архитектурам и методам управления квантовыми системами.