Forskare vid CNRS, Université Paris-Saclay i Frankrike har nyligen demonstrerat 3D-infångning av atomer i ett Rydberg-tillstånd inuti holografiska optiska flaskstrålefällor. Deras demonstration, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , kan få viktiga konsekvenser för det framtida förverkligandet av kvantsimuleringar.

I deras studie, forskarna använde laserkylda atomer som kan manipuleras en efter en. Att manipulera laserkylda atomer individuellt möjliggör skapandet av konstgjorda, helt kontrollerade system inspirerade av fasta tillståndets fysik, uppnå vad som kallas en kvantsimulering.

Kvantsimuleringar kan utföras med experimentella plattformar, inklusive fångade joner och supraledande qubits. Det tillvägagångssätt som detta forskarteam använder innebär användning av neutrala atomer fångade i mikroskopiska optiska fällor (dvs. optisk pincett), som uppmanas att interagera genom att excitera dem till mycket exciterade atomnivåer som kallas Rydberg-tillstånd.

"Än så länge, under den korta tid atomerna är i Rydbergstaterna, vi var tvungna att stänga av den optiska pincetten eftersom Rydberg-atomer faktiskt stöts bort av ljuset, "Thierry Lahaye, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta begränsar tiden under vilken atomerna kan hållas i Rydberg-nivåerna till bara några mikrosekunder, eftersom atomerna flyger bort från fångstpositionen. Vår studie gjorde det möjligt att förlänga betydligt denna tid, genom att fånga atomerna även när de är i ett Rydbergstillstånd."

När Rydbergs atomer stöts bort av ljus, Lahaye och hans kollegor formade sin laserstråle på ett sådant sätt att ett mörkt område omgivet av ljus i alla riktningar dök upp exakt där varje enskild atom befann sig precis efter att de var exciterade till Rydbergsnivån. Denna så kallade "flaskstråle" skapades med hjälp av ett diffraktivt element känt som en spatial-light modulator (SLM), som kan styras med hjälp av en dator.

Denna procedur gjorde det möjligt för forskarna att förlänga den tid under vilken atomerna i ett Rydbergstillstånd kunde användas för kvantsimulering. Medan flaskbalkar tidigare har använts i flera andra fysikstudier, detta är första gången de användes specifikt för att begränsa enskilda Rydberg-atomer.

"Med denna fångst, tiden under vilken vi kunde behålla våra Rydberg-atomer förlängdes till flera hundra mikrosekunder (vanligtvis en 40-faldig förbättring), endast begränsad av den naturliga livslängden för Rydbergsnivåerna, " Lahaye förklarade. "En viktig egenskap hos schemat är att det är kompatibelt med målet med kvantsimulering, något vi kontrollerade genom att samtidigt fånga två atomer i två olika fällor och mäta om de interagerade på exakt samma sätt som de skulle göra i frånvaro av en fälla – om än under mycket längre tid, självklart."

I framtiden, den flaskstrålebaserade metoden som används av Lahaye och hans kollegor kan visa sig vara mycket användbar i både kvantsimuleringar och kvantlogiska operationer som involverar Rydberg-atomer, förbättra deras precision vid reproduktion av fysiska system. Forskarna planerar nu att genomföra ytterligare studier för att undersöka potentiella tillämpningar av flaskstrålefällor.

"En naturlig fortsättning på detta arbete skulle vara att gå bortom detta principbevis och skapa stora uppsättningar av sådana flaskstrålefällor, med många atomer, att utföra ett verkligt kvantsimuleringsexperiment samtidigt som du drar nytta av den förlängda fångsttiden, " sa Lahaye.

© 2020 Science X Network