به‌دام‌اندازی و سردسازی ایزوتوپ پرتوزای باریوم-۱۳۳، سامانه‌ای جالب برای رمزنگاری اطلاعات کوانتومی به دست می‌دهد.

یون‌های به‌دام‌افتاده و سردشده با لیزر، انتخابی رایج برای بیت‌های کوانتومی‌اند. به طور آرمانی، ساختار داخلی این یون‌ها باید هم اجازه‌ی دست‌کاری زیادی در حالت‌های این یون‌ها و هم اجازه‌ی گذارهای ناشی از سردسازی لیزری با طول موج‌های مرئی را بدهد. فقط یون باریوم-۱۳۳ هر دوی این معیارها را برآورده می‌کند. مشکل این است که باریوم-۱۳۳ پرتوزاست و نیمه‌عمرش، ده سال و نیم است؛ این یعنی فرآیند مورد نظر به طور طبیعی رخ نمی‌دهد. پژوهش‌گرانی از دانشگاه کالیفورنیا در لوس آنجلس، برای نخستین بار توانسته‌اند یون باریوم-۱۳۳را که با روش ترکیب ساخته شده، به دام انداخته و سرد کنند. این تیم هم‌چنین طیف این یون را اندازه‌گیری کرده‌اند که جزییات این طیف برای تهیه و دست‌کاری حالت‌های کیوبیت چنین یون‌هایی مورد نیاز است.

باریوم-۱۳۳ یک عنصر قلیایی-خاکی است؛ پس حالت یونیده‌ی آن با یک الکترون تنها در لایه‌ی بیرونی، حالت‌های هیدروژن-گون دارد که به سادگی قابل استفاده است. ویژگی مناسب دیگری از ساختار داخلی‌اش، اسپین هسته‌ای ۱/۲ است که اجازه‌ی داشتن حالت‌های اصطلاحاً «ساعتی» را می‌دهد که در برابر اختلال‌های القاشده توسط میدان‌های مغناطیسی پایدار است. علاوه بر این، گذارهای ناشی از سردسازی در این یون، اجازه‌ی استفاده از لیزرهای با طول موج مرئی و دیگر دست‌گاه‌های اپتیکی را می‌دهد.

برای بهره‌بری از ویژگی‌های آرمانی باریوم-۱۳۳، David Hucul و همکارانش روشی را برای به‌دام‌اندازی و سردسازی این یون توسعه داده‌اند. آنان با نمونه‌ای جامد که به طور مصنوعی با ۲درصد باریوم-۱۳۳ غنی شده‌بود، شروع کردند و با اعمال قطع‌سازی لیزری، یک دام یونی تا حد ۱۰۰ یون باریوم را بارگیری کردند. به خاطر تمرکز کم آن، فقط حدود یکی از این یون‌ها باریوم-۱۳۳ بود؛ بقیه‌ی یون‌ها غالباً باریوم-۱۳۲ بودند. خوش‌بختانه، پرتو لیزر به‌کاررفته برای سردسازی باریوم-۱۳۳، به طور هم‌زمان باریوم-۱۳۲ و دیگر ایزوتوپ‌های ناخواسته را گرم می‌کرد که باعث می‌شد از دام بگریزند. با دنبال کردن این روش خالص‌سازی ایزوتوپ، پژوهش‌گران قادر بودند که طیف یک یون تنهای باریوم-۱۳۳ را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند.

این پژوهش در Physical Review Letters انتشار یافته‌است.

منبع: Synopsis: Radioactive Qubits

مرجع: Spectroscopy of a Synthetic Trapped Ion Qubit

David Hucul, Justin E. Christensen, Eric R. Hudson, and Wesley C. Campbell

Phys. Rev. Lett. 119, 100501 (2017)

Published September 6, 2017