Команда исследователей из 5-го Института физики Штутгартского университета добивается важного прогресса в области квантового моделирования и квантовых вычислений на основе ридберговских атомов, преодолевая фундаментальное ограничение: ограниченное время жизни ридберговских атомов. Штаты Циркуляра Ридберга демонстрируют огромный потенциал для преодоления этого ограничения.

Статья опубликована в журнале Physical Review X.

В мире квантовых вычислений и технологий квантового моделирования существует фундаментальная проблема при использовании нейтральных атомов: время жизни ридберговских атомов, которые являются строительными блоками для квантовых вычислений, ограничено. Но есть многообещающее решение: круговые заявления Ридберга.

Впервые исследовательской группе удалось создать и захватить круговые ридберговские атомы щелочноземельного металла с помощью оптического пинцета.

«Это интересно, потому что они особенно стабильны и могут значительно продлить срок службы квантового бита. Поэтому они имеют большой потенциал для разработки более мощных квантовых симуляторов», — говорит д-р Флориан Майнерт, руководитель группы младших исследований 5-го университета. Институт физики, который отвечает за проект.

Значение круговых ридберговских атомов

Круглый атом Ридберга — это особый тип атома Ридберга, в котором возбужденный электрон движется по круговому пути вокруг атомного ядра . По сравнению с другими ридберговскими состояниями эти атомы обладают повышенной стабильностью и более длительным временем жизни. Это делает их привлекательными кандидатами для использования в качестве кубитов.

Круговые состояния Ридберга известны уже несколько десятилетий и стали ключом к получившим Нобелевскую премию экспериментам по изучению квантовой природы взаимодействия света и материи. В последнее время потенциал этих состояний для квантовых вычислений снова все чаще обсуждается.

Стронций, щелочноземельный металл

Стронций, щелочноземельный металл с двумя оптически активными электронами, был выбран для создания ридберговского атома, поскольку он предлагает уникальные возможности. Будучи приготовленным в круговом состоянии Ридберга, второй электрон, вращающийся вокруг атомного ядра, может быть использован для квантовых операций, которые уже известны из исследований ионных квантовых компьютеров.

Исследовательская группа продемонстрировала генерацию очень высокоэнергетических круговых состояний изотопа стронция с удивительно длительным временем жизни — до 2,55 миллисекунд при комнатной температуре. Они использовали особые свойства полости, которая подавляет мешающее фоновое излучение черного тела, которое перегоняло бы чувствительный ридберговский электрон на другие энергетически соседние ридберговские уровни.

Без этой защиты циркулярные государства не смогли бы просуществовать долго. «Они также обязаны своим более длительным сроком службы максимальному угловому моменту, который защищает их от распада. Это означает, что квантовые биты более стабильны и, следовательно, менее восприимчивы к ошибкам и внешним помехам», — объясняет Кристиан Хёльцль, доктор философии. студентка 5-го физического института.

Квантовые биты под контролем

Другим важным аспектом исследования было точное управление и манипулирование микроволновым квантовым битом, закодированным в круговых состояниях. Этот так называемый когерентный контроль позволил ученым использовать микроволновые импульсы для переключения кубита между различными состояниями без потери его квантовой информации.

Им удалось точно определить время жизни квантового бита и получить важную информацию о его стабильности при комнатной температуре. Эффективное последовательное управление имеет решающее значение для выполнения квантовых операций и делает их точными и надежными.

Широкий спектр применения

Круглые ридберговские атомы открывают множество возможностей для выполнения квантовых операций и, в частности, квантового моделирования. «Их универсальность делает их привлекательными для широкого спектра применений», — говорит профессор Тилман Пфау, директор 5-го Института физики и межрегионального Центра квантовой фотоники Фонда Карла Цейса в Йене, Штутгарте и Ульме (Центр CZS QPhoton).

Поскольку круглые ридберговские атомы можно целенаправленно захватывать и точно манипулировать ими с помощью оптических пинцетов или других типов ловушек, они открывают возможности для масштабируемой архитектуры, которая может быть выгодна в будущем для создания больших систем квантовых битов на основе нейтральных атомов.