O AtomChip: Trazendo o Sistema Ótico da Nanofabricação e do Quantum Junto

Por Ron Folman

Prof. Ron Folman - Universidade do Negev, Israel de Ben-Gurion. Autor Correspondente: folman@bgu.ac.il

Uma das revoluções científicas do séculoth 20 é Mecânica Quântica. É uma teoria estranha, extremamente diferente do nosso do dia a dia experimenta, em que, por exemplo, uma partícula pode actuar como uma onda ou pode estar em diversos lugares imediatamente.

É igualmente muito diferente de nossas leis de física clássicas determinísticas porque é probabilística na natureza. Esta teoria estranha tem permitido já maravilhas da tecnologia tais como o relógio atómico.

Uma das revoluções tecnologicos do séculoth 20 é o circuito integrado eletrônico. Tais circuitos, em que milhões de transistor são postos em uma microplaqueta pequena do semicondutor, permitiram o computador e a maioria de dispositivos tecnologicos que tragam hoje nossas vidas.

Não é raro que se juntar a dois campos convenientemente desligado do conhecimento causa os dividendos que alcançam para além da mera soma do potencial encaixado nas duas disciplinas do pai.

O AtomChip é tal história. Reune o melhor de ambos os mundos: o campo relativamente maduro da micro e fabricação nano e o grupo novo de regras científicas fornecidas pela teoria de quantum. Junto formam a tecnologia do quantum, com a promessa dos dispositivos tais como relógios atómicos diminutos, sensores magnéticos, sistemas de navegação com inércia, sensores do campo de gravitação, comunicação e criptografia do quantum, e o computador do quantum.

A ideia principal é fazer possível a coexistência de um sistema de quantum dentro de um ambiente clássico, de modo que o ambiente clássico permita o controle eficaz do sistema de quantum assim como a troca de informação eficaz por dispositivos padrão tais como a eletrônica actual e os computadores do dia.

O desafio principal vem do facto de que quando nós quisermos se acoplar ao sistema de quantum para o controle e a troca de informação, sistemas de quantum sobrevive em seu estado de quantum somente sob circunstâncias severas do isolamento.

A primeira geração de AtomChips foi projectada e operada ao fim do século [1,2]. Estas microplaquetas foram baseadas em correntes e em cargas micro-fabricadas de terra arrendada dos eléctrodos, e em um sistema de quantum sob a forma dos átomos neutros ultra-frios esfriou por lasers e por outros meios simples sem a necessidade para um instrumento criogênico incómodo. Estes métodos refrigerando simples causaram Prémios nobel em 1997 e 2001.

Assim, os átomos neutros foram prendidos no vácuo alguns mícrons acima da superfície de uma microplaqueta da temperatura ambiente. Se, em uma microplaqueta do semicondutor, o sistema de interesse se move dentro da microplaqueta, aqui, o sistema de interesse está prendido e guiado dentro dos campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos, mícrons acima da microplaqueta.

Figura 1. Um AtomChip para os átomos neutros com que um fenômeno previamente desconhecido no transporte do elétron foi observado [5] (colaboração com Joerg Schmiedmayer).

A microplaqueta tem evoluído Hoje em formatos diferentes. Por exemplo, além do que átomos neutros, o frio isolou íons, moléculas e mesmo os elétrons são prendidos acima da superfície. Para aumentar a simplicidade, as cápsulas com o vapor atômico quente são usadas igualmente.

Além, as tentativas estão sendo feitas de utilizar as estrutura de circuito integrado que exibem a característica original não destrutiva do acoplamento a um sistema de quantum encaixado dentro delas [por exemplo centros do Nitrogênio-Vacany (cor) dentro de uma estrutura do carbono (diamante)].

Em laboratórios assim como em empresas privadas numerosos, a tecnologia de AtomChip actualmente está sendo simplificada e miniaturizada. A câmara de vácuo, por exemplo, será ficada situada dentro da carcaça de silicone. Os lasers e o photonics Integrados do diodo fornecerão a interacção eficiente da luz-matéria para a troca de informação delicada.

Nós não somos assim longe do ponto a tempo quando AtomChips pode ser encaixado em placas eletrônicas padrão ao lado de 20th componentes eletrônicos do século. Externamente, um não poderá dizer-lhes distante.

Para aqueles familiar com fabricação, é interessante notar que o AtomChip tem muitas figuras de mérito completamente novas em termos da qualidade e de rendimento das microplaquetas. Igualmente exige materiais e geometria novos. Por exemplo, quando a aspereza da superfície ou da borda de fios de condução for de pouco interesse na indústria do semicondutor (enquanto a condutibilidade permanece alta), o sistema ótico do quantum exige a lisura extrema.

Além Disso, quando electricamente os materiais anisotrópicos estiverem em nenhuma parte ser encontrados na indústria electrónica, foram mostrados para reduzir-se impedir efeitos para sistemas óticos do quantum por ordens de grandeza.

Similarmente, quando em processos convencionais a contaminação for evitada a todo o custo, mostrou-se que para o sistema ótico do quantum, a contaminação pode ser vantajosa. O leitor interessado pode aprender mais sobre o último modelo na fabricação de AtomChips dentro [3].

Se um está interessado no exemplo específico da computação de quantum, uma boa vista geral está dada na edição especial do Processamento de Informação do Quantum do jornal, para ser publicada aproximadamente [4].

Na Universidade de Ben-Gurion do Negev (BGU) nós construímos um do primeiro, se não a primeira, facilidade da fabricação projetada desde o início endereçar as necessidades da comunidade de AtomChip.

Nas figuras, Eu apresento duas microplaquetas fabricadas em BGU. O primeiro é um AtomChip para os átomos neutros, que caracterizaram no compartimento da Ciência em 2008, e que devido ultra à sensibilidade à interacção da átomo-superfície, permitida a observação de um fenômeno completamente desconhecido no transporte do elétron. Uma nuvem minúscula de alguns mil átomos neutros prendidos mícrons acima dos eléctrodos de um AtomChip é apresentada igualmente.

O segundo AtomChip é adaptado para átomos cobrados. Dois íons prendidos em mícrons desta microplaqueta acima da superfície são mostrados na figura. Finalmente, Eu apresento uma vista esquemática de como o AtomChip futuro será estruturado.

Figura 2. Figura 2. Uma nuvem diluída de alguns mil átomos ultra-frios alguns mícron-medidores acima da superfície de um AtomChip. Os eléctrodos da microplaqueta são visíveis no fundo. Tomado de [6].

A Figura 3. Fluorescência de dois íons prendeu mícron-medidores acima da superfície do AtomChip mostrado abaixo em figura 4 (colaboração com Ferdinand Schmidt-Kaler).

A Figura 4. AtomChip para os átomos cobrados (Microplaqueta do Íon) fabricados em BGU e apronta-se para ser posta na câmara em Mainz, Alemanha.

Figura 5. Uma vista esquemática de como um dispositivo futuro de AtomChip seria estruturado. A câmara de vácuo diminuta será encaixada na carcaça de silicone. A microplaqueta integraria toda a partícula exigida/fontes luminosas assim como válvulas de MEMs, photonics, ressonadores altos-q, e readout através das fibras e da eletrônica (cortesia de Tim Freegarde)

O AtomChip é não somente um exemplo incompreensível de uma sinergia entre duas disciplinas. É igualmente um exemplo maravilhoso da integração de muitos elementos operacionais diferentes em um dispositivo monolítico: eléctrodos metálicos para correntes e cargas de lado a lado com photonics e os ressonadores altos-q, MEMs, lasers, e assim por diante.

Mais, a plataforma de AtomChip pode permitir a integração de diversos sistemas de quantum diferentes. Estes sistemas de quantum híbridos assim chamados podem incluir, por exemplo, as portas de lógica feitas de qubits superconducting (quantum-bits) e de memória do quantum sob a forma dos átomos prendidos.

Enquanto a Ciência é afinal sobre o conhecimento e não somente a tecnologia, talvez está cabendo para terminar este breve esboço com um ponto de vista mais largo e um tanto filosófico. Porque o AtomChip permite operações cada vez mais complexas do quantum, igualmente permitirá umas introspecções mais profundas e mais profundas na teoria de quantum. Tal compreensão de um dos reinos de natureza os mais estranhos pode ter implicações profundas a respeito de nosso conceito do universo assim como de nossa percepção de nos. Por exemplo, responder ao enigma de se as funções do cérebro seguem a lógica do quantum ou a lógica clássica pode ter conseqüências a respeito da pergunta do livre arbítrio.

O Que Quer Que o futuro guardara para o AtomChip, é bastante claro que esta microplaqueta nos convidou para bastante um passeio.


[1] R. Folman, P. Kruger, J. Schmiedmayer, J. Denschlag e C. Henkel, átomos frios de Controlo usando superfícies nanofabricated: Microplaquetas do Átomo, Adv. Em. Mol. Optar. Phys. 48, 263 (2002).

[2] J. armadilhas de Reichel, de Microchip e condensação de Bose-Einstein, Appl. Phys. B 75, 469 (2002).

[3] R. Folman, P. Treutlein, J. Schmiedmayer, Fabricação do Átomo Lasca-se, no “Átomo Lasca-se” (Livro por Wiley-VCH, 2011), Eds. Vladan Vuletic e Jakob Reichel.

[4] Processamento de Informação com partículas neutras, edição Especial do Quantum no jornal do Processamento de Informação do Quantum (http://www.springer.com/physics/journal/11128), Eds. Ron Folman e Howard Brandt.

[5] S. Aigner, L. Della Pietra, Y. Japha, O. Entin-Wohlman, T. David, R. Salem, R. Folman e J. Schmiedmayer, Ciência 319, 1226 (2008).

[6] Ramon Szmuk, M.Sc. Tese, Universidade de Ben-Gurion do Negev (2011)

Date Added: Jun 16, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:14

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