Contract cercetare CEEX 06-D11-37

Prezentare

      Superpoziţiile stărilor hiperfine ale atomilor au reprezentat subiectul unui considerabil interes experimental. Un bun exemplu este rolul pe care l-au jucat în dezvoltarea ceasurilor atomice de-a lungul ultimelor cinci decenii. Recent, coerenţele hiperfine ale gazelor degenerate cuantic au fost utilizate pentru a revela proprietăţile intrinseci ale acestora. Superpoziţiile de stări hiperfine atomice mai sunt cercetate ca posibili purtători de informaţie pentru procesarea informaţiei cuantice. În multe astfel de experimente, radiaţia laser este utilizată pentru manipularea coerentă a superpoziţiilor hiperfine prin tranziţii Raman stimulate. În plus, radiaţia laser poate fi utilizată pentru a stoca atomii, cum ar fi cazul capcanelor optic-dipolare. Deoarece lumina perturbă energiile nivelelor hiperfine, controlul imperfect al parametrilor fasciculului laser poate duce la defazarea superpoziţiilor şi pierderea coerenţei. Fizica particulelor atomice confinate în capcane electromagnetice este un domeniu recent apărut, ale cărui posibilităţi şi metode de lucru au dus la obţinerea unor rezultate şi experimente remarcabile, fundamentale pentru fizica cuantică, spectroscopia de înaltă precizie, fizica informaţiei cuantice şi metrologia cuantică. Atenţia specială acordată acestui domeniu al fizicii moderne este motivată de atribuirea a patru premii Nobel: N. Ramsey pentru inventarea metodei câmpurilor oscilante separate şi utilizarea acesteia pentru ceasuri atomice (1989), H. Dehmelt şi W. Paul pentru dezvoltarea tehnicii de stocare a ionilor (1989), S. Chu, C. Cohen-Tannoudji şi W. D. Phillips pentru dezvoltarea metodei de stocare şi răcire a atomilor cu radiaţie laser (1997), J. Hall and T. Hänsch pentru dezvoltarea spectroscopiei laser de precizie şi a tehnicii comb în domeniul frecvenţelor optice (2005), R. Glauber pentru contribuţii la teoria cuantică a coerenţei optice (2005). Prin localizarea ionilor rezultă lărgimi de linii atomice foarte înguste, în condiţiile absenţei perturbaţiilor, ca urmare a controlului precis al stărilor cuantice. Câmpul electric de RF induce un potenţial efectiv care stochează ionii armonic în regiunea de minim a câmpului, în condiţii de stabilitate dinamică. Progresele rapide şi promiţătoare din ultimii ani în domeniul procesării informaţiei cuantice sunt bazate pe posibilitatea de a controla şi manipula sisteme cuantice individuale. Ionii confinaţi, moleculele şi modurile câmpului din interiorul cavităţilor cu factor de calitate Q ridicat sunt exemple importante de astfel de sisteme. Dintre acestea, ionii confinaţi s-au dovedit a fi un sistem model pentru precesarea informaţiei cuantice şi realizarea de noi ceasuri atomice. 

      Etaloanele atomice de frecvenţă oferă cadrul de bază pentru o gamă largă de experimente şi măsurători de precizie care au permis nu numai cele mai exacte determinări pentru multe mărimi fizice, dar care au şi determinat câteva dintre cele mai riguroase teste ale conceptelor şi teoriilor fundamentale despre natură. Recent, determinări extrem de exacte de frecvenţă absolută pentru mai multe etaloane de frecvenţă în domeniul microundelor şi în cel optic, au oferit dovezi sensibile ale posibilelor variaţii temporale pentru câteva constante fundamentale. În experimente de acest gen, o sensibilitate mărită ar fi posibilă prin utilizarea de etaloane atomice de frecvenţă cu inacurateţi mai mici decât o parte la 10¹⁵, valoare caracteristică etaloanelor actuale cu fântănă de cesiu, care furnizează atât definiţia cât şi realizarea secundei SI. Etaloanele de frecvenţă optice oferă posibilitatea atingerii de inacurateţi care se apropie de o parte la 10¹⁸. Multe din aceste etaloane, bazate pe tranziţii înguste ale ionilor sau atomilor neutri, sunt studiate intens pe plan mondial.

      Logica cuantică în capcane ionice a înregistrat progrese mari în ultimii câţiva ani. Experimental, au fost realizate porţi logice cuantice controlate şi teleportarea cuantică, teoretic, au fost propuse scheme scalabile prin deplasarea ionilor şi porţi logice cuantice rapide. O problemă inevitabilă în acest moment constă în construcţia sistemelor de logică cuantică bazate pe capcane ionice care să poată efectua algoritmi cuantici  peste nivelul unei simple demonstraţii. Realizarea logicii cuantice cu ansambluri de particule atomice stocate în capcane electromagnetice implică studiul experimental şi teoretic al cuplajului dispersiv (în afara rezonanţei)  dintre ionii confinaţi şi radiaţia laser utilizată pentru procesarea informaţiei cuantice. Aplicaţiile includ: criptografie, comunicaţii şi teleportare cuantică, teste fundamentale de mecanică şi electrodinamică cuantică,  metrologie cuantică şi cele mai precise determinări ale constantelor fundamentale din fizică, studiul condensării Bose-Einstein.