Manipulowanie atomami na rzecz lepszego makro-świata
Sieć optyczna powstaje na przecięciu interferujących wiązek laserowych. Tworzący się w ten sposób, charakterystyczny wzorzec przestrzenny może wiązać atomy, które ulegają schłodzeniu i gromadzą się w struktury przypominające sieć krystaliczną. Następnie atomy te można wprawić w ruch zwany tunelowaniem kwantowym, umożliwiając cząsteczkom przenikanie przez przeszkody, których nie są w stanie pokonać znajdując się w stanie klasycznym. Ultrazimne atomy w sieciach optycznych stanowią idealne środowisko badania modeli skondensowanej materii. Przykładem może być nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe, występujące w materiałach o temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa (Tc) wyższej niż -243.2 stopnie Celsjusza. Dzięki prowadzonym w ostatnich latach badaniom, ultrazimne gazy kwantowe stały się narzędziem wykorzystywanym w fizyce n-ciał stałych oraz w fizyce kwantowej. Wykorzystanie wiązek laserowych pozwala kontrolować szereg istotnych parametrów (np. głębokość sieci optycznej i szerokość występujących w niej odstępów). Możliwość wykrywania pojedynczych atomów i manipulowania nimi w obrębie ich lokalizacji w sieci otwiera drogę do szeregu nowatorskich eksperymentów w dziedzinie informacji kwantowej oraz symulacji. Uczestnicy finansowanego przez UE projektu o nazwie "Ultrazimne gazy kwantowe w sieciach optycznych z dokładnością do pojedynczej lokalizacji" ('Ultracold quantum gases in optical lattices with single site addressability' - Addressing) zaproponowali zastosowanie specjalnie zaprojektowanego systemu soczewek, pozwalającego obserwować i wpływać na gęstość, struktury spinów oraz korelacje w skali pojedynczej lokalizacji w sieci. W ramach projektu zaprojektowano i stworzono nowatorskie narzędzia badawcze, pozwalające określać i adresować pojedyncze lokalizacje w sieciach optycznych. Naukowcy początkowo skupili się na stworzeniu i przetestowaniu układu próżniowego, wytwarzającego ultra-zimne próbki atomowe oraz na opracowaniu i przetestowaniu własnego systemu obrazowania w wysokiej rozdzielczości. System ten umożliwił dokonanie znaczącego postępu w badaniu pogranicza zimnych atomów i skondensowanej materii, a dokładnie pozwolił badać silnie powiązane, kwantowe systemy n-ciał z dokładnością do pojedynczego atomu. Powyższy sukces osiągnięto poprzez badanie tak zwanego stanu izolującego Motta w sieciach optycznych, w którym atomy porządkują się w dobrze znanych stanach rozmieszczenia, w wyniku działania odpychania kwantowo-mechanicznego. Na uzyskanych obrazach wyraźnie widać pojedyncze atomy, dzięki czemu po raz pierwszy możliwe jest obserwowanie niedoskonałości powstających w wyniku skończonej temperatury próbki. Zdolność do dokładnego określania temperatury panującej w sieciach optycznych stanowi kluczowy element badania innych, tajemniczych faz kwantowych o dużym znaczeniu. Powyższe odkrycia otwierają drogę do wpływania na stan pojedynczych atomów w sieci optycznej i mogą stanowić podstawę opracowywania kwantowych architektur obliczeniowych, złożonych z setek pojedynczych, adresowalnych bitów kwantowych (jednostek informacji kwantowej). Wyniki projektu Addressing otwierają liczne możliwości w zakresie badania zjawisk równowagi, pozwalających na obserwację ewolucji systemu.
