Исследователи из Института молекулярной науки обнаружили квантовую запутанность между электронными и двигательными состояниями в своем сверхбыстром квантовом симуляторе, созданную силой отталкивания из-за сильного взаимодействия между атомами Ридберга. Они также предлагают новый метод квантового моделирования, включающий силу отталкивания между частицами. Их исследование было опубликовано 30 августа в Physical Review Letters .

Холодные атомы, захваченные и собранные оптическими ловушками, привлекли внимание как платформа квантовой технологии, такой как квантовые вычисления , квантовое моделирование и квантовое зондирование. Корреляция между квантовыми состояниями соответствующих атомов, называемая квантовой запутанностью, играет существенную роль в квантовой технологии. Гигантские электронные орбитали, называемые состояниями Ридберга, используются для создания квантовой запутанности в платформах холодных атомов.

В данной статье авторы подробно исследовали квантовое состояние в сверхбыстром квантовом симуляторе и выявили, что квантовая запутанность между электронными состояниями и двигательными состояниями формируется сильной силой отталкивания между атомами в ридберговском состоянии, в дополнение к квантовой запутанности между электронными состояниями атомов.

300 000 атомов рубидия были охлаждены до 100 нанокельвинов с помощью лазерного охлаждения и загружены в оптическую ловушку, образующую оптическую решетку, в результате чего расстояние составило 0,5 микрона. Затем квантовая суперпозиция основного состояния с электроном на 5s-орбитали и ридберговского состояния с электроном на гигантской 29s-орбитали была создана путем облучения ультракоротким импульсом лазерного света длительностью всего 10 пикосекунд.

В предыдущих исследованиях расстояние между ридберговскими атомами было ограничено примерно 5 микронами, поскольку ридберговский атом запрещает возбуждение окружающих атомов до ридберговского состояния, называемого блокадой Ридберга. Авторы обошли этот эффект с помощью сверхбыстрого возбуждения с помощью сверхкороткого импульсного лазерного света.

Наблюдая за эволюцией квантовой суперпозиции во времени, авторы обнаружили, что квантовая запутанность между электронными состояниями и состояниями движения формируется за несколько наносекунд, в дополнение к запутанности между электронными состояниями. Это можно понять по силе отталкивания между атомами в состоянии Ридберга из-за очень сильного взаимодействия , которое вводит корреляцию между «либо атом находится в состоянии Ридберга, либо нет» и «либо атом движется, либо нет».

Это явление проявляется только тогда, когда ридберговские атомы близко сопоставимы с разбросом атомной волновой функции в оптической решетке (60 нанометров), и его наблюдение стало возможным благодаря расстоянию 0,5 микрона, реализованному уникальным сверхбыстрым методом возбуждения авторов.

Авторы также предложили новый метод квантового моделирования, включающий силу отталкивания между частицами, такими как электроны в материалах. Сила отталкивания может быть введена путем возбуждения атомов в ридберговских состояниях в наносекундном масштабе с использованием сверхбыстрых импульсных лазеров. Повторяя это быстро, можно произвольно управлять силой отталкивания между атомами, захваченными в оптической решетке. Ожидается, что этот метод реализует новое квантовое моделирование, включающее двигательные состояния частиц, имеющие силу отталкивания.

Исследовательская группа этой статьи также привлекает интерес разработкой сверхбыстрого квантового компьютера с холодными атомами, который ускоряет операцию двухкубитного вентиля на два порядка по сравнению с обычными квантовыми компьютерами с холодными атомами. Сверхбыстрый квантовый компьютер с холодными атомами использует состояния Ридберга для реализации операции двухкубитного вентиля, а эффект движения атомов во время взаимодействия является одной из основных причин снижения точности операции.

В данной работе экспериментально раскрыт процесс, посредством которого создается квантовая запутанность между электронными и двигательными состояниями, что представляет собой важный прогресс на пути к повышению точности работы двухкубитного вентиля и созданию социально полезных квантовых компьютеров в будущем.