Fysiker opnår milepæl i kvantesimulering med cirkulære Rydberg-qubits

Et team af forskere fra 5th Institute of Physics ved University of Stuttgart gør vigtige fremskridt inden for kvantesimulering og kvanteberegning baseret på Rydberg-atomer ved at overvinde en fundamental begrænsning:Rydberg-atomernes begrænsede levetid. Cirkulære Rydberg-stater viser et enormt potentiale for at overvinde denne begrænsning.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Physical Review X .

I verden af ​​kvanteberegninger og kvantesimuleringsteknologi er der en grundlæggende udfordring ved brug af neutrale atomer:Rydberg-atomernes levetid, som er byggestenene til kvanteberegning, er begrænset. Men der er en lovende løsning:cirkulære Rydberg fastslår.

For første gang er det lykkedes forskerholdet at generere og fange cirkulære Rydberg-atomer af et jordalkalimetal i en række optiske pincet.

"Dette er spændende, fordi de er særligt stabile og kan forlænge levetiden for en kvantebit enormt. De har derfor et stort potentiale for udvikling af mere kraftfulde kvantesimulatorer," siger Dr. Florian Meinert, leder af Junior Research Group på 5. Institut for Fysik, der står for projektet.

Betydningen af ​​cirkulære Rydberg-atomer

Et cirkulært Rydberg-atom er en særlig type Rydberg-atom, hvor den exciterede elektron følger en cirkulær bane rundt om atomkernen. Sammenlignet med andre Rydberg-stater har disse atomer en øget stabilitet og længere levetid. Dette gør dem til attraktive kandidater til brug som qubits.

Cirkulære Rydberg-stater har været kendt i årtier og var nøglen til nobelprisvindende eksperimenter om kvantenaturen af ​​lys-stof-interaktion. For nylig er disse tilstandes potentiale for kvanteberegning i stigende grad blevet diskuteret igen.

Strontium, et jordalkalimetal

Strontium, et jordalkalimetal med to optisk aktive elektroner, blev valgt til at skabe Rydberg-atomet, da det giver unikke muligheder. Når først den er forberedt i den cirkulære Rydberg-tilstand, kan den anden elektron, der kredser om atomkernen, bruges til kvanteoperationer, som allerede er kendt fra forskning i ionkvantecomputere.

Forskerholdet demonstrerede dannelsen af ​​meget højenergiske cirkulære tilstande af en strontiumisotop med en forbløffende lang levetid på op til 2,55 millisekunder ved stuetemperatur. De gjorde brug af de specielle egenskaber ved et hulrum, der undertrykker den interfererende sorte kropsbaggrundsstråling, som ville drive den følsomme Rydberg-elektron ind i andre energetisk nærliggende Rydberg-niveauer.

Uden denne afskærmning ville de cirkulære stater ikke være i stand til at overleve længe. "De skylder også deres længere levetid deres maksimale vinkelmomentum, som beskytter dem mod henfald. Det betyder, at kvantebittene er mere stabile og derfor mindre modtagelige for fejl og ekstern interferens," forklarer Christian Hölzl, ph.d. studerende ved 5. Fysisk Institut.

Kvantebits under kontrol

Et andet vigtigt aspekt af forskningen var den præcise kontrol og manipulation af en mikrobølgekvantebit kodet i cirkulære tilstande. Denne såkaldte kohærente kontrol gjorde det muligt for forskerne at bruge mikrobølgeimpulser til at skifte qubit mellem forskellige tilstande uden at miste sin kvanteinformation.

De var i stand til præcist at bestemme kvantebittens levetid og få vigtig indsigt i dens stabilitet ved stuetemperatur. Effektiv sammenhængende kontrol er afgørende for at udføre kvanteoperationer og gør dem præcise og pålidelige.

En bred vifte af applikationer

Cirkulære Rydberg-atomer tilbyder et væld af muligheder for at udføre kvanteoperationer og især kvantesimuleringer. "Deres alsidighed gør dem attraktive til en bred vifte af anvendelser," siger prof. Tilman Pfau, direktør for 5th Institute of Physics og det supraregionale Carl Zeiss Foundation Center for Quantum Photonics i Jena, Stuttgart og Ulm (CZS Center QPhoton).

Da cirkulære Rydberg-atomer specifikt kan fanges og manipuleres præcist i en optisk pincet eller andre typer fælder, giver de muligheder for en skalerbar arkitektur, der kan være fordelagtig i fremtiden til at bygge store kvantebitsystemer baseret på neutrale atomer.

Flere oplysninger: C. Hölzl et al., Long-Lived Circular Rydberg Qubits of Alkaline-Earth Atoms in Optical Pincet, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021024

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af University of Stuttgart