Физики зафиксировали эффект Магнуса: атом сместился на полмикрона

Ученые впервые измерили необычный «изгиб» взаимодействия света и атома

Физики впервые экспериментально зафиксировали оптический аналог эффекта Магнуса на отдельном ионе. Эксперимент продемонстрировал, что при сканировании сильно сфокусированного лазерного луча максимум его взаимодействия с одиночным ионом может быть сдвинут относительно ожидаемого положения, основанного на простой модели распределения интенсивности света. Этот эффект может оказать влияние на квантовые компьютеры, где лазеры играют роль в управлении кубитами.

Классический эффект Магнуса широко известен благодаря полету вращающегося мяча: вращение создает боковую силу, из-за которой траектория мяча искривляется. Теоретически оптический аналог этого явления был предсказан ранее, однако на атомном уровне его напрямую наблюдать до сих пор не удавалось.

В процессе эксперимента исследователи удерживали почти неподвижный одиночный ион кальция-40 в электромагнитной ловушке. На него был направлен сильно сфокусированный лазер с длиной волны 729 нм, и луч постепенно перемещался относительно иона. Сам ион фактически выступал в качестве микроскопического датчика структуры светового поля.

Ученые измеряли вероятность переходов между различными квантовыми состояниями иона в зависимости от его положения относительно лазерного луча. Выяснилось, что максимум взаимодействия происходил не в той точке, которую можно было бы ожидать, основываясь только на распределении интенсивности света.

Для двух изученных квантовых переходов смещение составило 240 ± 16 и 463 ± 20 нм. Теоретические расчеты предсказывали значения 232 и 464 нм соответственно, что свидетельствует о практически полном совпадении эксперимента с расчетной моделью.

Причина данного явления связана со сложной электромагнитной структурой сильно сфокусированного света. При такой фокусировке становятся значительными продольная составляющая электрического поля и пространственные изменения поляризации. В более простых моделях лазерного луча этими эффектами обычно можно пренебречь.

Для квантовых компьютеров это имеет практическое значение. В ионных квантовых процессорах лазеры управляют состояниями отдельных кубитов. Пространственные смещения и неоднородность поляризации могут связывать внутреннее квантовое состояние иона с его движением, создавая дополнительные ошибки во время выполнения операций.

В то же время данный эффект потенциально может быть использован в качестве инструмента. Теоретические исследования уже рассматривали возможность применения связанных с ним оптических сил для взаимодействия между ионными кубитами и реализации более сложных квантовых операций.

Текущий эксперимент не демонстрирует таких вычислений. Его главное достижение — это прямое измерение оптического аналога эффекта Магнуса на одиночном ионе и получение детальной карты взаимодействия атома с сильно сфокусированным светом. Следующий шаг — выяснить, насколько точно можно управлять этим эффектом и удастся ли использовать его непосредственно в квантовых процессорах.