Круговые атомы Ридберга установили три рекорда при комнатной температуре

Физики Штутгартского университета установили три рекорда для круговых атомов Ридберга — по времени жизни, размеру и длительности удержания в оптических пинцетах. Такие атомы рассматривают как перспективные элементы квантовых симуляторов и компьютеров. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Электрон остаётся в возбуждённом состоянии дольше

У атома Ридберга один из электронов находится в сильно возбуждённом состоянии далеко от ядра. Благодаря большим размерам такие атомы могут взаимодействовать на расстояниях, необычно больших для атомного мира. Это удобно для управления квантовыми системами, но чувствительность к окружающей среде ограничивает время работы.

В круговом состоянии возбуждённый электрон обладает большим угловым моментом. В новом эксперименте такое состояние сохранялось 11 миллисекунд — более чем в 20 раз дольше сопоставимых состояний в свободном пространстве. Речь идёт именно о данном сравнении, а не о стократном улучшении всех ридберговских платформ.

Команда Флориана Майнерта, работающая в Пятом физическом институте под руководством Тильмана Пфау, сообщила о трёх достижениях:

• время жизни отдельного кругового атома Ридберга достигло 11 миллисекунд;
• диаметр электронной орбиты составил около 1,1 микрометра — примерно в 10 тысяч раз больше, чем у обычных атомов;
• удержание таких атомов в лазерной ловушке продолжалось 133 миллисекунды.

Время жизни возбуждённого состояния и время удержания атома — разные показатели. Их нельзя смешивать: лазерная ловушка может сохранять атом дольше, чем существует конкретное квантовое состояние.

Вместо глубокого охлаждения — защита от теплового излучения

Результаты получили при комнатной температуре, без дорогостоящего охлаждения жидким гелием. Даже в обычных условиях окружающие поверхности испускают микроволновое излучение, способное разрушать чувствительные состояния атомов.

Исследователи поместили атомы между двумя прозрачными электропроводящими пластинами, подавляющими мешающее излучение. Таким образом они адаптировали физическую идею, известную с 1980-х годов, к современной экспериментальной платформе.

Что это даёт квантовым технологиям

Более длительная стабильность позволяет точнее управлять взаимодействиями атомов и потенциально выполнять более длинные последовательности операций. Это важно для квантовых симуляторов, воспроизводящих поведение сложных квантовых систем.

Читайте также по теме: другом исследовании по теме.

Эксперимент не означает появления готового универсального компьютера. Команда планирует использовать платформу для дальнейшей разработки квантовых вычислений, симуляторов и высокоточных сенсоров. Главный результат — демонстрация длительно живущих крупных круговых состояний в условиях, не требующих глубокого охлаждения.