Физики из 5-го института физики Штутгартского университета установили три рекорда для круговых ридберговских атомов: по времени их жизни, по размеру и по длительности удержания в лазерных ловушках. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Эти достижения могут помочь в создании более совершенных квантовых симуляторов и в перспективе квантовых компьютеров.
Квантовые симуляторы воспроизводят квантовые системы, которые учёные хотят изучать. Они также служат инструментом для разработки и проверки методов для будущих квантовых компьютеров. Ридберговские атомы считаются перспективными элементами для обоих направлений, однако их чувствительность к окружающей среде ограничивает время их использования.
«Одной из главных проблем при разработке высокопроизводительных квантовых симуляторов была высокая чувствительность ридберговских атомов и их короткое время стабильности. Мы преодолели эту проблему и повысили стабильность атомов в 20 раз», — приводит слова руководителя 5-го института физики профессора Тильмана Пфау SciTechDaily.
У ридберговского атома электрон возбуждён в состояние, далёкое от ядра, из-за чего атом становится в несколько тысяч раз крупнее обычного. Увеличенный размер позволяет соседним атомам взаимодействовать на необычно больших расстояниях, что полезно для управления квантовыми системами. Такие взаимодействия могут охватывать около 5 мкм (0,0002 дюйма) — примерно одну десятую толщины человеческого волоса.
Штутгартская команда работала с круговыми ридберговскими атомами, у которых возбуждённый электрон занимает круговую орбиту вокруг ядра. Диаметр их электронных орбит достигал примерно 1,1 мкм (0,000043 дюйма), что примерно в 10 000 раз больше, чем у обычных атомов. «Мы установили сразу три мировых рекорда: самое долгое время жизни, когда-либо измеренное для отдельных ридберговских атомов, самые крупные управляемые круговые ридберговские атомы и самое долгое время хранения таких атомов в оптических пинцетах», — говорит руководитель группы 5-го института физики доктор Флориан Майнерт.
Круговое состояние сохранялось 11 миллисекунд — более чем в 20 раз дольше, чем аналогичные состояния в свободном пространстве. Отдельно исследователи удерживали атомы в лазерной ловушке, известной как оптический пинцет, в течение 133 миллисекунд. Эти измерения описывают разные достижения: как долго выживает возбуждённое состояние и как долго атом остаётся захваченным. «Эти рекорды открывают новые возможности для создания более мощных квантовых симуляторов, выполнения большего числа вычислений и более точного управления квантовыми системами», — отмечает докторант группы Майнерта Эйнюс Пултиневичюс. «Мы достигли этих рекордных результатов при комнатной температуре без дорогостоящего охлаждения жидким гелием, которое требовалось ранее», — добавляет Майнерт.
Комнатная температура создаёт разрушительную среду для этих чувствительных атомов: окружающие поверхности излучают тепловое излучение, включая невидимые микроволны, которые могут нарушать их возбуждённые состояния. Ранее эксперименты полагались на сложные системы охлаждения для снижения таких помех. Вместо этого команда адаптировала концепцию экранирования 1980-х годов: атомы разместили между двумя прозрачными электропроводящими пластинами, подавляющими мешающие микроволны. «Наши результаты показывают, что чрезвычайно долгоживущие ридберговские атомы возможны даже при комнатной температуре. Мы усовершенствовали известную концепцию в физике для использования на современных квантовых платформах», — говорит Майнерт. «Эти достижения могут сыграть важную роль в разработке квантовых симуляторов и квантовых компьютеров», — считает Пфау. Нейтральные атомы в оптических пинцетах — одни из ведущих кандидатов для квантовых симуляторов, способных масштабироваться под большие системы. Более долгоживущие ридберговские состояния могут помочь сохранять квантовую информацию и точнее управлять взаимодействиями между атомами. Ожидается, что дополнительная стабильность обеспечит более длительные вычисления с меньшим числом ошибок, хотя сами рекорды являются достижениями в базовой технологии, а не демонстрацией полноценного квантового компьютера. Штутгартский университет теперь располагает уникальной в мировом масштабе экспериментальной платформой для круговых ридберговских атомов. Команда планирует использовать её для разработки новых квантовых компьютеров, квантовых симуляторов и высокоточных квантовых сенсоров.