Международная группа исследователей впервые напрямую зафиксировала оптический эффект Магнуса. Это явление представляет собой небольшое смещение при взаимодействии лазерного излучения с веществом. Как сообщает SciTechDaily, обнаруженный сдвиг может повлиять на точность управления кубитами в квантовых компьютерах.
Всем, кто видел, как закрученный футбольный мяч облетает стенку, знаком результат влияния вращения на траекторию полёта. Мяч отклоняется от первоначального направления, поскольку его вращение создаёт неравномерную силу при движении. В физике это явление носит название эффекта Магнуса. Теперь учёные наблюдали его оптический аналог в гораздо меньшем масштабе, используя лазерный луч и один захваченный ион кальция.
Вместо искривления траектории иона в пространстве оптический эффект смещает точку, в которой сфокусированный лазер взаимодействует с ним наиболее сильно. Международная команда под руководством специалистов Института Пауля Шеррера (PSI) впервые измерила это крошечное боковое смещение экспериментально. Полученный результат важен для квантовых компьютеров, где лазеры применяются для управления отдельными кубитами с предельной точностью. Если сдвиг не учитывать, лазер может воздействовать не там, где ожидают исследователи, однако эффект способен найти и полезное применение.
«Силы, которые он создаёт, можно использовать для связи кубитов друг с другом, что позволит выполнять более сложные вычисления», — поясняет первый автор работы Филип Лайндеккер из Центра фотонной науки PSI и физического факультета ETH Zurich.
На первый взгляд самое сильное взаимодействие должно происходить в центре лазерного пучка, где свет наиболее интенсивен. Однако острая фокусировка лазерного излучения меняет пространственную структуру его электромагнитного поля. Из-за этого точка максимального взаимодействия слегка смещается в сторону. Чтобы измерить эффект, исследователи использовали одиночный ион кальция, удерживаемый почти неподвижно электромагнитными полями в ионной ловушке. Такие ионы могут служить кубитами в квантовых компьютерах, где лазеры применяются для точного управления их квантовыми состояниями. Команда перемещала сфокусированный лазер относительно иона и измеряла силу взаимодействия света с ним в разных положениях.
«Наш ион действует как крошечный сенсор, с помощью которого можно ощупывать структуру лазерного света, — объясняет Лайндеккер. — Это позволяет измерять смещение всего в несколько сотен нанометров». Такая чувствительность дала возможность напрямую наблюдать оптический эффект Магнуса. Эксперимент также выявил неожиданную особенность сдвига: его величина зависела только от длины волны лазерного света, а не от степени фокусировки пучка. Этот результат может быть важен для квантовых компьютеров на ионных ловушках, которые полагаются на точно нацеленный лазерный свет для управления отдельными кубитами, поэтому даже малейшее боковое смещение способно вносить ошибки, если его не учитывать. В то же время силы, порождаемые эффектом, могут открыть новый способ соединения кубитов и поддержки более сложных операций. Теоретически оптический эффект Магнуса был предсказан несколько лет назад учёными Амстердамского университета, а новый эксперимент подтвердил это предсказание и дал более детальную характеристику поведения эффекта. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.