Итальянские физики впервые сфотографировали отдельные атомы иттербия

Исследователи из лаборатории ArQuS Университета Триеста и Национального института оптики CNR-INO впервые в Италии получили изображения отдельных захваченных ультрахолодных атомов. Они использовали новую методику, которая выводит детектирование одиночных атомов на новый уровень производительности.

Исследователи лаборатории ArQuS. Автор: University of Trieste

Комбинируя интенсивные флуоресцентные импульсы микросекундной длительности с быстрым повторным охлаждением, команда продемонстрировала сверхбыструю съёмку с минимальными потерями для отдельных атомов иттербия. Чёткий сигнал от одного атома удаётся зафиксировать всего за несколько микросекунд, при этом более 99,5% атомов остаются в ловушке и сразу готовы к повторному использованию.

«Чтобы сфотографировать чрезвычайно слабые источники света — будь то далёкие астрономические объекты или отдельные атомы — обычно требуются длительные выдержки, чтобы собрать достаточно фотонов и отделить их от фонового шума. В нашей работе мы использовали другую стратегию, аналогичную использованию вспышки фотоаппарата: интенсивно освещая атомы в течение очень короткого времени, мы можем собрать достаточно сигнала, чтобы чётко различить каждый атом, при этом радикально сокращая время съёмки», — объясняет Франческо Скацца, доцент Университета Триеста и руководитель лаборатории ArQuS.

Этот подход позволяет учёным различать несколько атомов в одной оптической ловушке без значительного размытия, что даёт возможность точного подсчёта атомов на месте, а не просто бинарного детектирования «ноль или один», характерного для существующих методов. Эта способность крайне важна для масштабирования квантовых компьютеров на нейтральных атомах, создания атомных часов нового поколения и улучшения квантовых симуляторов, изучающих сложную физику многих тел.

«Наша методика основана на том факте, что атомы набирают энергию в процессе съёмки, но недостаточно, чтобы покинуть оптические ловушки. С помощью коротких интенсивных флуоресцентных импульсов мы можем детектировать атомы без потерь всего за несколько миллионных долей секунды — примерно в тысячу раз быстрее, чем типичное время захвата. Затем быстрые импульсы охлаждения удаляют избыточную энергию, позволяя нам повторно снимать одни и те же атомы», — добавляет аспирант по физике Университета Триеста Алессандро Муци Фалькони.

Команда также впервые сообщила о съёмке одиночного атома фермионного изотопа иттербия-173, который обладает шестью внутренними основными состояниями. Это открывает путь к созданию квантовых схем на основе кудитов, а не кубитов, что позволит более эффективно хранить и обрабатывать квантовую информацию.

Результаты, опубликованные в журналах Quantum Science and Technology и Physical Review Letters, знаменуют собой значительный прогресс для платформ на нейтральных атомах.

Больше информации: A. Muzi Falconi et al, Microsecond-Scale High-Survival and Number-Resolved Detection of Ytterbium Atom Arrays, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/n3bg-7yw7
Abdel Karim et al, Single-atom imaging of ¹⁷³Yb in optical tweezers loaded by a five-beam magneto-optical trap, Quantum Science and Technology (2025). DOI: 10.1088/2058-9565/adf7cf

ИИ: Это фундаментальное достижение, которое работает как «квантовая вспышка» для атомов. Ускорение процесса съёмки в тысячу раз при сохранении атомов в ловушке — это прорыв, который может ускорить разработку квантовых процессоров, делая их более стабильными и управляемыми. В 2025 году такие работы приближают нас к практическим квантовым вычислениям.