Самойленко, С. Р. Разработка программного обеспечения для автоматизации эксперимента по созданию упорядоченных массивов холодных одиночных атомов / С. Р. Самойленко, А. В. Лисицин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 42 (332). — С. 4-8. — URL: https://moluch.ru/archive/332/74323/ (дата обращения: 26.01.2025).
В предлагаемой статье приведено краткое описание проекта, целью которого является разработка программного обеспечения для детектирования холодных одиночных атомов в оптических микроловушках и последующей их сборки в упорядоченные двухмерные массивы произвольной конфигурации, что позволит решить проблему частичного заполнения массивов дипольных ловушек, работающих в режиме «столкновительной блокады». Создание упорядоченных массивов одиночных атомов является важным этапом для создания квантовых симуляторов на их основе.
Компьютерная симуляция квантовомеханических систем может оказать существенное влияние на исследования в области квантовой химии, энергетики, а также на разработку высокотемпературных сверхпроводников. Однако, как было продемонстрировано в 1981-м году Ричардом Фейнманом, эффективная симуляция таких систем на классических компьютерах принципиально невозможна [1]. В качестве альтернативы было предложено симулировать поведение квантовомеханических систем другими квантовомеханическими системами, параметры которых могли бы быть контролируемыми. Одиночные нейтральные атомы [2], наряду с полупроводниковыми квантовыми точками [3] и сверхпроводящими цепями [4], являются одной из наиболее перспективных физических систем, на основе которых такие симуляции могут производиться. К сожалению, механизм загрузок одиночных атомов в микродипольные ловушки — основной инструмент работы над ними, не позволяет реализовать упорядоченные массивы на их основе, что является существенной преградой на пути к реализации полнофункционального квантового симулятора. Для преодоления этой проблемы, необходима разработка методов рекомбинации заполненных одиночными атомами дипольных ловушек в упорядоченные массивы. Программное обеспечение, необходимое для реализации одного из допустимых методов рекомбинации и разрабатывается в рамках проекта.
II
.
Описание проблемы
Для того, чтобы дипольная ловушка захватывала не более одного атома в любой момент времени, необходимо по возможности уменьшать ее размеры. Было продемонстрировано, если ширина перетяжки пучка лазера дипольной ловушки имеет величину порядка ~1 мкм, то на зависимости числа атомов в дипольной ловушке
N
от скорости загрузки атомов
R
имеется плато на уровне
для широкого диапазона значений
[5]. Такой эффект был назван «столкновительной блокадой» и на сегодняшний день является наиболее используемым механизмом загрузки одиночных атомов. К сожалению, применение данного механизма при создании массивов одиночных атомов приводит к тому, что лишь половина создаваемых ловушек будет заполнена, и, хотя имеются работы, в которых вероятность загрузки одиночных атомов удалось повысить, полностью детерминированного метода загрузок до сих пор разработано не было.
III
.
ПРЕДЛАГАЕМОЕ РЕШЕНИЕ
Обозначенную проблему предлагается решать следующим образом:
Создавать массив дипольных ловушек большой размерности;
По сигналу флуоресценции определять ловушки, заполненные одиночными атомами;
Производить сборку массива одиночных атомов целевой пространственной конфигурации из уже захваченных ловушками атомов.
Создание массивов ловушек
Cхема экспериментальной установки приведена на Рисунке 1. Генерацию массивов дипольных ловушек предлагается производить следующим образом: излучение лазера дипольной ловушки после выхода из одномодового оптоволокна (SMF) отправляется на фазовый модулятор света (SLM), где на него посредством фазовой голограммы накладывается соответствующий требуемому распределению интенсивности фазовый профиль. После отражения от фазового модулятора света излучение направляется в магнито-оптическую ловушку, где и происходит захват одиночных атомов (на схеме не изображена).
Рис. 1. Схема установки, предназначенной для генерации массивов дипольных ловушек
Алгоритм расчёта фазовых голограмм
:
Алгоритм, предлагаемый для генерации фазовых голограмм представлен на Рисунке 2. В качестве основы взят алгоритм Гершберга-Сакстона, который состоит из следующих шагов:
Задаются амплитуда
и фаза
начального пучка.
Производится преобразование Фурье
, где
— ожидаемое распределение амплитуды в дальней зоне. Если
не совпадает с целевым распределением амплитуды
, переходим к следующему шагу.
Ожидаемое распределение амплитуды
заменяется на целевое
и берется обратное преобразование Фурье
.
Рассчитанное распределение фазы обновляется
и алгоритм возвращается к шагу B.
Если ожидаемое распределение амплитуды
совпадает с целевым
, алгоритм прекращает работу, подсчитанное распределение фазы
отправляется на модулятор света.
С целью адаптации алгоритма к задаче создания упорядоченных массивов атомов в него были добавлены следующие шаги (нумерация совпадает с приведенной на диаграмме):
Корректировка целевого распределения амплитуды
, Целевое распределение амплитуды
сравнивается с ожидаемым
и корректируется соответствующим образом на каждой итерации. Это позволяет значительно улучшить сходимость алгоритма.
Заполнение пространства вокруг целевого распределения амплитуды нулями.
Это позволяет увеличить разрешение рассчитываемого фазового профиля и повысить качество дифракции ценой времени, необходимого для расчетов.
Использование предыдущей фазовой маски в
качестве исходного распределения фазы
.
Это повышает схожесть двух последовательных масок, что снижает уровень мерцания в момент переключения между ними.
Поиск и
замена точек, в
которых изменение фазы превышает пороговое.
Если изменение фазы во время переключения между двумя последовательными масками в какой-либо точке превышает уровень
, где
— варьируемый коэффициент, то значение фазы в этой точке остается неизменным. Подобная процедура позволяет снизить уровень мерцания ценой качества дифракции.
Целью статьи является ознакомление с разработанной имитационной моделью алгоритма Гровера в прикладной программе MATLAB, а также с результатами его работы, которые представлены в виде вычислений и графиков. Коротко описаны основы квантовых вычислений...
В статье описывается процесс разработки графа клеточных взаимодействий для исследования трёхмерных моделей структуры живых тканей. Описываемое программное обеспечение позволяет строить и исследовать такие модели, созданные в рамках теории трёхмерной ...
Использование фрактальных сигнатур для задач обнаружения и идентификации различных целей является основой перспективных методов. Предложен адаптивный алгоритм для фрактального распознавания искусственных объектов, основанный на концепции сглаживания ...
В статье представлен подход к решению проблемы по извлечению трехмерных объектов из двумерных изображений, при условии, что таких объектов может быть несколько.
При использовании метода конечных элементов для моделирования различных твердых тел много ресурсов используется для решения систем линейных уравнений. В данной статье обобщена информация о наиболее популярных программных комплексах конечно-элементног...
Настоящая статья посвящена реализации одного из основных методов аналого-цифрового преобразования — метода поразрядного взвешивания. Разработана программная модель такого аналого-цифрового преобразователя в среде моделирования Matlab пакета расширени...
Статья посвящена моделированию процессов формирования устойчивых во времени образований (структур), состоящих из магнитных частиц (диполей). В работе полностью описана математическая модель и представлены результаты одного из вычислительных экспериме...
Модель гармонического осциллятора позволяет изучать малые колебания атомов в молекулах твердых тел около положений устойчивого равновесия и получать информацию для решения различных технических задач создания новых материалов с заданными физическими ...
В контексте деформируемых пузырьков поверхностное натяжение происходит динамический обмен между кинетической и поверхностной упругой энергией. Этот обмен энергией имеет отношение к динамике пузырьков, например, к турбулентности или уменьшению сопроти...
В данной статье представлена модель фотоэлектрического модуля, реализованная в среде Matlab. Модель основывается на уравнениях, описывающих вольт-амперные характеристики. Разработанная модель дает возможность исследовать вольт-амперные и ватт-вольтны...
Целью статьи является ознакомление с разработанной имитационной моделью алгоритма Гровера в прикладной программе MATLAB, а также с результатами его работы, которые представлены в виде вычислений и графиков. Коротко описаны основы квантовых вычислений...
В статье описывается процесс разработки графа клеточных взаимодействий для исследования трёхмерных моделей структуры живых тканей. Описываемое программное обеспечение позволяет строить и исследовать такие модели, созданные в рамках теории трёхмерной ...
Использование фрактальных сигнатур для задач обнаружения и идентификации различных целей является основой перспективных методов. Предложен адаптивный алгоритм для фрактального распознавания искусственных объектов, основанный на концепции сглаживания ...
В статье представлен подход к решению проблемы по извлечению трехмерных объектов из двумерных изображений, при условии, что таких объектов может быть несколько.
При использовании метода конечных элементов для моделирования различных твердых тел много ресурсов используется для решения систем линейных уравнений. В данной статье обобщена информация о наиболее популярных программных комплексах конечно-элементног...
Настоящая статья посвящена реализации одного из основных методов аналого-цифрового преобразования — метода поразрядного взвешивания. Разработана программная модель такого аналого-цифрового преобразователя в среде моделирования Matlab пакета расширени...
Статья посвящена моделированию процессов формирования устойчивых во времени образований (структур), состоящих из магнитных частиц (диполей). В работе полностью описана математическая модель и представлены результаты одного из вычислительных экспериме...
Модель гармонического осциллятора позволяет изучать малые колебания атомов в молекулах твердых тел около положений устойчивого равновесия и получать информацию для решения различных технических задач создания новых материалов с заданными физическими ...
В контексте деформируемых пузырьков поверхностное натяжение происходит динамический обмен между кинетической и поверхностной упругой энергией. Этот обмен энергией имеет отношение к динамике пузырьков, например, к турбулентности или уменьшению сопроти...
В данной статье представлена модель фотоэлектрического модуля, реализованная в среде Matlab. Модель основывается на уравнениях, описывающих вольт-амперные характеристики. Разработанная модель дает возможность исследовать вольт-амперные и ватт-вольтны...