物理学家利用圆形里德堡量子比特实现量子模拟里程碑

被困在光镊中的圆形里德堡锶原子的插图。图片来源：Aaron Götzelmann，斯图加特大学

来自斯图加特大学第五物理研究所的一组研究人员通过克服一个基本限制：里德堡原子的有限寿命，在基于里德堡原子的量子模拟和量子计算领域取得了重要进展。循环里德堡州在克服这一限制方面显示出巨大的潜力。

该论文发表在《物理评论X》杂志上。

在量子计算和量子模拟技术领域，使用中性原子时存在一个根本性挑战：作为量子计算基石的里德堡原子的寿命是有限的。但有一个很有前途的解决方案：循环里德伯格状态。

该研究小组首次成功地在光镊阵列中生成和捕获碱土金属的圆形里德堡原子。

“这令人兴奋，因为它们特别稳定，可以极大地延长量子比特的寿命。因此，它们在开发更强大的量子模拟器方面具有巨大的潜力，“负责该项目的第五物理研究所初级研究小组负责人Florian Meinert博士说。

圆形里德堡原子的意义

圆形里德堡原子是一种特殊类型的里德堡原子，其中被激发的电子沿着原子核周围的圆形路径。与其他里德堡态相比，这些原子具有更高的稳定性和更长的寿命。这使得它们成为用作量子比特的有吸引力的候选者。

几十年来，人们已经知道里德堡圆形态，并且是诺贝尔奖获得者关于光-物质相互作用的量子性质实验的关键。最近，这些状态在量子计算中的潜力再次被越来越多地讨论。

锶，一种碱土金属

锶是一种具有两个光学活性电子的碱土金属，之所以被选中来制造里德堡原子，是因为它提供了独特的可能性。一旦以圆形里德堡态制备，围绕原子核运行的第二个电子可用于量子操作，这些操作已经从离子量子计算机的研究中已知。

研究小组展示了锶同位素的非常高能循环态的产生，在室温下具有惊人的长寿命，可达2.55毫秒。他们利用了腔的特殊特性，抑制了干扰黑体背景辐射，这将驱动敏感的里德堡电子进入其他能量相邻的里德堡能级。

没有这种屏蔽，圆形状态将无法长期存在。“它们更长的寿命也归功于它们最大的角动量，这可以保护它们免受衰变。这意味着量子比特更稳定，因此不易受到错误和外部干扰的影响，“第五物理研究所的博士生Christian Hölzl解释说。

量子比特受控

该研究的另一个重要方面是精确控制和操纵以圆形状态编码的微波量子比特。这种所谓的相干控制使科学家们能够使用微波脉冲在不同状态之间切换量子比特，而不会丢失其量子信息。

他们能够精确地确定量子比特的寿命，并获得对其在室温下稳定性的重要见解。有效的相干控制对于执行量子操作至关重要，并使其精确可靠。

应用范围广

圆形里德堡原子为执行量子操作，特别是量子模拟提供了多种可能性。“它们的多功能性使它们对广泛的应用具有吸引力，”第五物理研究所所长、耶拿、斯图加特和乌尔姆的超区域卡尔蔡司基金会量子光子学中心（CZS中心QPhoton）的Tilman Pfau教授说。

由于圆形里德堡原子可以被特异性地捕获并精确地操纵在光镊或其他类型的陷阱中，因此它们为可扩展的架构提供了可能性，这可能有利于未来构建基于中性原子的大型量子比特系统。

更多信息：C. Hölzl 等人，光镊中碱土原子的长寿命圆形里德堡量子比特，物理评论 X （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevX.14.021024

期刊信息： Physical Review X