物理学家利用圆形里德伯量子位实现量子模拟的里程碑

斯图加特大学第五物理研究所的一组研究人员正在基于里德伯原子的量子模拟和量子计算领域取得重要进展，克服了一个基本限制：里德伯原子的有限寿命。循环里德伯态显示出克服这一限制的巨大潜力。

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的挑战：作为量子计算构建模块的里德伯原子的寿命是有限的。但有一个有希望的解决方案：循环里德伯状态。

研究小组首次成功地在光镊阵列中生成并捕获了碱土金属的圆形里德伯原子。

“这是令人兴奋的，因为它们特别稳定，可以极大地延长量子位的寿命。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，”第五实验室初级研究组组长FlorianMeinert博士说。物理研究所，该项目的负责人。

圆形里德伯原子的意义

圆形里德伯原子是一种特殊类型的里德伯原子，其中受激电子沿着原子核周围的圆形路径运动。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位的有吸引力的候选者。

圆形里德伯态已为人所知数十年，并且是获得诺贝尔奖的光与物质相互作用的量子性质实验的关键。最近，这些态在量子计算方面的潜力再次受到越来越多的讨论。

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，由于它提供了独特的可能性，因此被选择来创建里德伯原子。一旦准备好圆形里德伯态，绕原子核运行的第二个电子就可以用于离子量子计算机研究中已知的量子操作。

研究小组证明了锶同位素的极高能循环态的生成，在室温下其寿命长达2.55毫秒，令人惊讶。他们利用空腔的特殊性质来抑制干扰黑体背景辐射，从而将敏感的里德伯电子驱动到其他能量相邻的里德伯能级。

如果没有这种屏蔽，圆形国家将无法长期存在。ChristianHölzl博士解释说：“它们的较长寿命还归功于其最大角动量，这可以保护它们免受衰变。这意味着量子比特更加稳定，因此不易受到错误和外部干扰的影响。”第五物理研究所学生。

量子比特受到控制

该研究的另一个重要方面是对以循环态编码的微波量子比特进行精确控制和操纵。这种所谓的相干控制使科学家能够使用微波脉冲在不同状态之间切换量子位，而不会丢失其量子信息。

他们能够精确确定量子位的寿命，并对其在室温下的稳定性获得重要见解。有效的相干控制对于执行量子运算至关重要，并使其精确可靠。

应用范围广泛

圆形里德伯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在广泛的应用中具有吸引力，”第五物理研究所和位于耶拿、斯图加特和乌尔姆的超区域卡尔蔡司基金会量子光子中心(CZSCenterQPhoton)所长TilmanPfau教授说。

由于圆形里德伯原子可以在光镊或其他类型的陷阱中被专门捕获和精确操纵，因此它们为可扩展架构提供了可能性，这种架构在未来对于构建基于中性原子的大型量子比特系统可能是有利的。