Аннотация:
Исследовательская группа Шестого института физики Штутгартского университета в Германии объявила, что установила одновременно три мировых рекорда по специальной квантовой системе под названием «круговой атом Ридберга», включая атомную жизнь, размер атома и время удержания в лазерной ловушке. Исследователи полагают, что этот прорыв, как ожидается, будет способствовать разработке высокопроизводительных квантовых симуляторов и заложит основу для создания более мощных квантовых компьютеров в будущем.
Квантовые симуляторы могут воспроизводить поведение сложных квантовых систем в контролируемой среде и являются важной платформой для исследования новых квантовых явлений и проверки технологии квантовых вычислений. Ридберговские атомы уже давно считаются многообещающими кандидатами в области квантового моделирования и квантовых вычислений. Однако они чрезвычайно чувствительны к окружающей среде и часто могут оставаться стабильными лишь в течение очень короткого времени. Это также стало одним из ключевых препятствий, ограничивающих развитие сопутствующих технологий.
Тилман Пфау, руководитель исследовательской группы, сказал, что повышение стабильности ридберговских атомов всегда было основной задачей при разработке высокопроизводительных квантовых симуляторов. Команда успешно увеличила время атомной стабильности в 20 раз по сравнению с предыдущим уровнем, создав более благоприятные условия для последующего применения квантовых технологий.
Так называемый атом Ридберга относится к атомной структуре, в которой электроны выводятся на высокоэнергетические орбиты вдали от ядра. Поскольку расстояние между электронами и ядром сильно увеличивается, размер таких атомов может достигать тысяч раз больше, чем у обычных атомов. Больший размер обеспечивает квантовое взаимодействие с соседними атомами на больших расстояниях — свойство, важное для построения и управления квантовыми системами.
Исследователи заявили, что расстояние взаимодействия между ридберговскими атомами может достигать около 5 микрон, что составляет примерно одну десятую толщины человеческого волоса. Хотя он все еще чрезвычайно мал в повседневном масштабе, в атомном мире он уже находится довольно далеко. Это одна из причин, почему квантовая технология нейтральных атомов отдает предпочтение атомам Ридберга. Этот тип технологии позволяет обрабатывать квантовую информацию путем захвата незаряженных атомов и манипулирования ими с помощью лазерных лучей.
На этот раз объектом исследования команды являются круглые ридберговские атомы. В этом состоянии возбужденные электроны движутся по почти круговой орбите вокруг ядра. В ходе эксперимента исследователи успешно построили электронную орбиту диаметром около 1,1 микрона, что примерно в 10 000 раз больше электронной орбиты обычных атомов.
Для достижения этой цели команда разработала специальную экспериментальную платформу для создания чрезвычайно стабильных гигантских атомов при комнатной температуре путем подавления помех излучения черного тела в окружающей среде. В прошлом подобные эксперименты часто требовали дорогостоящих и сложных условий сверхнизкой температуры, но это достижение было достигнуто в более мягких условиях, что еще больше повысило практичность технологии.
В ходе эксперимента исследователи успешно установили три международных рекорда. Во-первых, они измерили самое продолжительное время жизни, когда-либо зарегистрированное для одного круглого ридберговского атома. Управляя возбужденными электронами, чтобы они двигались по стабильной круговой орбите, атомы остаются в стабильном состоянии в течение 11 миллисекунд, что более чем в 20 раз превышает предыдущее аналогичное состояние в свободном пространстве.
Во-вторых, исследовательская группа создала самый крупный на сегодняшний день управляемый круглый атом Ридберга с орбитой электрона, достигающей около 1,1 микрона, что установило новый рекорд в смежных областях.
Третий рекорд относится ко времени захвата атомов лазерными оптическими пинцетами. Исследователи использовали лазерные лучи, чтобы успешно удерживать эти гигантские атомы в ловушке в течение 133 миллисекунд, что также установило новый мировой рекорд.
Исследователи отметили, что круглые ридберговские атомы не только имеют более длительный срок жизни, но и более устойчивы к внешним возмущениям, сохраняя при этом важное преимущество сильного взаимодействия ридберговских атомов. Эти характеристики делают его идеальным кандидатом для будущих квантовых симуляторов и платформ квантовых вычислений.
Поскольку исследования в области квантовых вычислений продолжают развиваться, в отрасли в целом считают, что будущие практические квантовые устройства должны обладать высокой стабильностью, низким уровнем ошибок и хорошей масштабируемостью. Результаты, достигнутые Штутгартским университетом, впервые доказывают, что круговые ридберговские атомы могут достичь долговременного стабильного управления при комнатной температуре, что, как ожидается, значительно уменьшит проблему накопления ошибок в квантовых операциях.
Исследовательская группа заявила, что следующим шагом будет попытка создания программируемой квантовой системы, состоящей из множества круговых ридберговских атомов, для дальнейшего изучения потенциала ее практического применения в квантовом моделировании и квантовых вычислениях. Поскольку технология управления этими «гигантскими атомами» продолжает развиваться, квантовые компьютеры могут стать на шаг ближе к более высокой производительности и более масштабной работе.
Комментарии