Международная группа физиков под руководством специалистов Института Пауля Шеррера (PSI) впервые экспериментально зафиксировала оптический аналог эффекта Магнуса. Это явление, знакомое каждому, кто наблюдал за полётом закрученного футбольного мяча, обходящего стенку: вращение заставляет снаряд отклоняться от первоначальной траектории из-за неравномерного распределения сил. В квантовом мире аналогичный механизм проявляется иначе — речь идёт не об искривлении пути объекта, а о смещении точки, в которой сфокусированный лазерный луч взаимодействует с частицей наиболее интенсивно.
Для проведения измерений учёные использовали одиночный ион кальция, удерживаемый практически неподвижно электромагнитными полями в ионной ловушке. Такие системы применяются в квантовых компьютерах в качестве кубитов, а лазеры служат инструментом точного управления их квантовыми состояниями. Перемещая остро сфокусированный луч относительно иона, исследователи регистрировали силу взаимодействия света с частицей в разных положениях. Как пояснил первый автор работы Филип Лейндекер из Центра фотонной науки PSI и физического факультета ETH Zurich, ион выступает в роли миниатюрного сенсора, позволяющего «прощупывать» структуру лазерного света и улавливать смещение всего в несколько сотен нанометров.
«Силы, которые оно генерирует, можно использовать для связи кубитов друг с другом, что открывает путь к более сложным вычислениям», — приводит слова Лейндекера SciTechDaily. Именно эта высокая чувствительность и дала возможность напрямую наблюдать оптический эффект Магнуса. На первый взгляд максимальное взаимодействие должно происходить в центре лазерного пучка, где интенсивность света наивысшая, однако сильная фокусировка меняет пространственную структуру электромагнитного поля, из-за чего точка наибольшего отклика слегка смещается в сторону.
Эксперимент выявил неожиданную закономерность: величина этого бокового сдвига зависела исключительно от длины волны лазерного излучения и никак не была связана со степенью фокусировки пучка. Для квантовых компьютеров на ионных ловушках, где точность наведения лазера критична, подобное смещение способно стать источником ошибок, если его не учитывать. В то же время возникающие при этом силы могут предложить новый способ соединения кубитов и поддержки более сложных операций.
Теоретически оптический эффект Магнуса был предсказан несколько лет назад учёными из Амстердамского университета. Новый эксперимент не только подтвердил это предсказание, но и позволил детальнее охарактеризовать поведение эффекта. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.