Ett team av forskare från 5th Institute of Physics vid universitetet i Stuttgart gör viktiga framsteg inom området kvantsimulering och kvantberäkning baserad på Rydberg-atomer genom att övervinna en grundläggande begränsning:Rydberg-atomernas begränsade livslängd. Cirkulära Rydberg-stater visar en enorm potential för att övervinna denna begränsning.
Uppsatsen är publicerad i tidskriften Physical Review X .
I en värld av kvantberäkningar och kvantsimuleringsteknik finns det en grundläggande utmaning när man använder neutrala atomer:Rydberg-atomernas livslängd, som är byggstenarna för kvantberäkning, är begränsad. Men det finns en lovande lösning:cirkulär Rydberg konstaterar.
För första gången har forskargruppen lyckats generera och fånga cirkulära Rydberg-atomer av en jordalkalimetall i en rad optiska pincett.
"Det här är spännande eftersom de är särskilt stabila och kan förlänga livslängden för en kvantbit enormt. De har därför stor potential för utveckling av kraftfullare kvantsimulatorer", säger Dr Florian Meinert, chef för Junior Research Group vid 5:e Institutet för fysik, som är ansvarig för projektet.
En cirkulär Rydberg-atom är en speciell typ av Rydberg-atom där den exciterade elektronen följer en cirkulär bana runt atomkärnan. Jämfört med andra Rydberg-stater har dessa atomer en ökad stabilitet och längre livslängd. Detta gör dem till attraktiva kandidater för användning som qubits.
Cirkulära Rydberg-stater har varit kända i decennier och var nyckeln till Nobelprisbelönta experiment om kvantnaturen hos ljus-materia-interaktion. På senare tid har potentialen för dessa tillstånd för kvantberäkning diskuterats alltmer igen.
Strontium, en jordalkalimetall med två optiskt aktiva elektroner, valdes för att skapa Rydberg-atomen eftersom den erbjuder unika möjligheter. När den väl är preparerad i det cirkulära Rydberg-tillståndet kan den andra elektronen som kretsar kring atomkärnan användas för kvantoperationer som redan är kända från forskning om jonkvantdatorer.
Forskargruppen demonstrerade genereringen av mycket högenergicirkulära tillstånd av en strontiumisotop med en häpnadsväckande lång livslängd på upp till 2,55 millisekunder vid rumstemperatur. De använde sig av de speciella egenskaperna hos en kavitet som dämpar den störande svartkroppsbakgrundsstrålningen, vilket skulle driva den känsliga Rydberg-elektronen in i andra energiskt närliggande Rydberg-nivåer.
Utan denna avskärmning skulle de cirkulära staterna inte kunna överleva länge. "De har också sin längre livslängd att tacka för sin maximala rörelsemängd, vilket skyddar dem från förfall. Det betyder att kvantbitarna är mer stabila och därför mindre mottagliga för fel och externa störningar", förklarar Christian Hölzl, Ph.D. student vid 5th Institute of Physics.
En annan viktig aspekt av forskningen var den exakta kontrollen och manipuleringen av en mikrovågskvantbit kodad i cirkulära tillstånd. Denna så kallade koherenta kontroll gjorde det möjligt för forskarna att använda mikrovågspulser för att växla qubit mellan olika tillstånd utan att förlora sin kvantinformation.
De kunde exakt bestämma livslängden för kvantbiten och få viktiga insikter om dess stabilitet vid rumstemperatur. Effektiv koherent kontroll är avgörande för att utföra kvantoperationer och gör dem exakta och tillförlitliga.
Cirkulära Rydberg-atomer erbjuder en mängd möjligheter för att utföra kvantoperationer och i synnerhet kvantsimuleringar. "Deras mångsidighet gör dem attraktiva för ett brett spektrum av tillämpningar", säger Prof. Tilman Pfau, chef för 5th Institute of Physics och det överregionala Carl Zeiss Foundation Center for Quantum Photonics i Jena, Stuttgart och Ulm (CZS Center QPhoton).
Eftersom cirkulära Rydberg-atomer specifikt kan fångas och exakt manipuleras i optisk pincett eller andra typer av fällor, erbjuder de möjligheter till en skalbar arkitektur som kan vara fördelaktig i framtiden för att bygga stora kvantbitsystem baserade på neutrala atomer.
Mer information: C. Hölzl et al, Long-Lived Circular Rydberg Qubits of Alkaline-Earth Atoms in Optical Pincet, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021024
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av University of Stuttgart
