CQT Principal Investigator Loh Huanqian und ihr Team erstellen fehlerfreie Arrays von bis zu 225 Atomen in ihrem automatisierten Setup, das von einem einzigartigen Algorithmus unterstützt wird. Diese Fotos zeigen einzelne Rubidiumatome, die ordentlich in hellen Flecken in Anordnungen von der Breite eines menschlichen Haares gestapelt sind. Das Team des CQT-Hauptforschers Loh Huanqian machte diese Fotos, um zu zeigen, wie sie Atome zu beliebigen Mustern zusammensetzen können, die in ein dreieckiges Raster von 15 x 15 passen (einschließlich des Löwenkopfsymbols von Singapur). Die Forscher beschreiben den Mechanismus und die innovative Methode, die dies ermöglichen, in einer Veröffentlichung, die am 15. März 2023 in Physical Review Applied veröffentlicht wurde. Der Artikel erscheint auch in der Zeitschrift der American Physical Society Physics.
Forscher sind sehr daran interessiert, mit ihnen zu arbeiten, da neutrale Atomarrays verwendet werden können, um leistungsstarke Quantensimulationen von Materialien zu erstellen, ähnlich wie Lego-Teile, die zusammengesetzt werden können, um Prototypgebäude zu erstellen. Supercomputer werden bereits von Wissenschaftlern zur Berechnung von Materialeigenschaften verwendet, aber die Berechnungen werden schnell unbrauchbar, wenn mehr Partikel zur Simulation hinzugefügt werden. Wissenschaftler können Materialien mithilfe einer Anordnung von Atomen direkt modellieren.
Mit dieser Methode konnte die CQT-Gruppe erfolgreich eine moderne, fehlerfreie Arraygröße von 225 Atomen bei Umgebungstemperatur herstellen. Musterperfektion ist von entscheidender Bedeutung, da festgestellt wurde, dass Defekte oder fehlende Atome in einem Array das in Quantensimulationen beobachtete Signal verzerren.
Tian Weikun, Wee Wen Jun, Qu An, Billy Lim Jun Ming, Prithvi Raj Datla und Vanessa Koh Pei Wen sind Forschungsstudenten, die im CQT-Labor von Huanqian arbeiten und als Co-Autoren der Studie zu den berichteten Ergebnissen beitragen. Huanqian ist außerdem Vizekanzler-Professor für Physik an der National University of Singapore.
Atome parallel ausrichten
Das Team beginnt damit, die Atome mit Laserstrahlen einzufangen, die oft als optische Pinzetten bezeichnet werden, bevor es die Anordnungen von Atomen zusammenfügt. Es ist ein Glücksfaktor, einzelne Atome zu fangen, daher ist nicht jede Pinzette effektiv, um ein Atom zu fangen. Das bedeutet, dass die Forscher mit 400 Pinzetten begannen, aber am Ende eine Anordnung von Atomen voller Fehler hatten.
Im nächsten Schritt werden die Atome neu ausgerichtet, wodurch ein kompakteres und genaueres Target-Array entsteht.
Die Strategie des Teams weicht hier von der Norm ab. Zuvor wurden Atome einzeln mit einer einzigen zusätzlichen optischen Pinzette bewegt, nachdem die minimal erforderliche Anzahl von Bewegungen ermittelt worden war. Atome bleiben nicht für immer in ihren Fallen, daher erhöht die Reduzierung der Anzahl der Bewegungen und damit der Zeit, die für die Neuanordnung erforderlich ist, die Wahrscheinlichkeit, eine fehlerfreie Sequenz zu erzeugen.
Stattdessen haben Huanqian und sein Team einen Mechanismus entwickelt, der die Umlagerung beschleunigt, indem mehrere Pinzetten verwendet werden, um eine große Anzahl von Atomen gleichzeitig zu bewegen. In seinen Experimenten können bis zu 15 bewegliche Pinzetten verwendet werden, um die Atome gleichzeitig zu bewegen und die fehlerfreie Anordnung zu erzeugen. Der Benutzer kann die maximale Anzahl der zu verwendenden beweglichen Pinzetten festlegen.
Weikun, der Erstautor der Abhandlung, vergleicht das Bewegen von Atomen, eines nach dem anderen, mit dem Klavierspielen mit einem Finger. Unsere Methode spart viel Zeit, da wir mehr Finger verwenden und schneller Klavier spielen. Wenn wir beispielsweise 100 Atome bewegen müssen, können wir dies tun, indem wir zehn davon auf einmal bewegen, anstatt jedes Mal 100. Das bedeutet, dass wir zehnmal weniger Züge machen als sonst.
Forscher haben einen revolutionären Algorithmus entwickelt, der die besten Bewegungen für diese Aufgabe bestimmt.
Als Eingabe für den Algorithmus dient ein Bild, das die anfängliche Ladung von Atomen zeigt. Das Bild wird in eine binäre Matrix umgewandelt, wobei 1 und 0 angeben, ob ein Atom erfolgreich von der Pinzette eingefangen wurde. Auch die Zielsequenz wurde von den Forschern festgelegt.
Die Reorganisationsstrategie hat zwei Komponenten. Die Zeilensortierung ist die erste. Bei dieser Technik werden Atome in Zeilen über Spalten neu verteilt, um sicherzustellen, dass jede Spalte die erforderliche Anzahl von Atomen für die Zielsequenz enthält. Bei der zweiten Methode wird eine Säule komprimiert, um Atome an ihre gewünschten Positionen zu bringen.
Die Gruppe legte fest, dass der Algorithmus die Atome immer mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt und ihre Reihenfolge beibehält, um zu verhindern, dass die Atome während der Bewegung mit dem Array kollidieren.
Nachdem der Algorithmus die Berechnung abgeschlossen hat, interagiert er mit der Hardware. Die Atome werden Reihe für Reihe und dann Spalte für Spalte durch optische Pinzetten neu angeordnet, die als mechanische Arme fungieren. Der Ansatz der Gruppe, der als simultaner Sortier- und Komprimierungsalgorithmus bekannt ist, kann die Anordnung des Arrays innerhalb von Millisekunden abschließen.
Einer der herausforderndsten Aspekte des Experimentierens ist laut Weikun das Programmieren. „Unser Algorithmus betrachtet die gesamte Szene, entwirft den gesamten Bewegungssatz auf einmal, prüft auf Kollisionen und führt ihn dann aus.“
Ein Stipendium des Quantum Engineering Program von Singapur für die „Scalable, Programmable Atom Array Platform for Quantum Simulation of Dynamics and Materials Physics“ sicherte dem Projekt im Jahr 2022 eine gewisse Finanzierung. Auch die Singapore National Research Foundation, die Huanqian 2018 mit einem fünfjährigen Stipendium ausgezeichnet hat, unterstützt dieses Programm.
Die innovative Methode des Teams zur experimentellen Realisierung eines defektfreien Arrays aus 225 Atomen weist eine Erfolgsrate von 33 % auf, was zu den höchsten Erfolgswahrscheinlichkeiten für Baugruppen bei Raumtemperatur gehört, die in der Literatur dokumentiert sind. Das Team glaubt, dass die Verwendung lauterer und leistungsstärkerer Laserquellen ihre Erfolgschancen erhöhen wird.
Laut Huanqian „haben wir gezeigt, dass unser Ansatz in beliebigen Geometrien verwendet werden kann, die für die Untersuchung einer Vielzahl fortschrittlicher Materialien wie Waben, Kagome und Link-Kagome, einschließlich Graphen, Supraleiter oder Quanten-Spin-Flüssigkeiten, attraktiv sind. „Wir haben auch einzelne Atome neu angeordnet, um das Löwenkopfzeichen zu bilden, um zu zeigen, dass wir dies in Singapur getan haben“, sagte der Wissenschaftler. Das Löwenkopf-Emblem steht für Qualität, Stärke und Mut. Dieses Symbol wurde 1986 als nationales Symbol angenommen.
Quelle: quantumlah.org/about/highlight
Günceleme: 19/03/2023 14:02