法國實驗室首次成功將「裡德伯原子」捕獲時間提高至10毫秒

裡德伯原子是具有高激發態電子的原子，其內部只有一個電子處於很高的激發態，這一電子距離原子核和其餘的電子很遠。裡德伯具有幾個獨特而有用的特性，包括特別長的壽命和對外部場的高靈敏度，使其對於各種應用，如量子技術開發非常有價值。

為了使裡德伯原子能有效地用於量子技術，研究人員首先需要能夠捕獲它們。許多研究使用磁，電或雷射技術去捕獲這種原子，但捕獲時間相對較短，通常約為100微秒（1微秒等於百萬分之一秒）。

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法國司特勒-布洛索實驗室（LKB）的研究人員最近將裡德伯原子的捕獲時間最高提升到了10毫秒（1毫秒等於千分之一秒），從而為量子技術研究開闢了令人興奮的新可能性。

這項研究的科學家克萊蒙·賽林說：「我們的研究小組是世界上為數不多的能夠製備和操縱圓形裡德伯原子的小組之一。」

大多數採用裡德伯原子的量子模擬器都使用非圓形裡德伯原子。儘管這些模擬器取得了令人矚目的成果，但其功能受到以下事實的限制：它們內部的裡德伯原子沒有被俘獲，因此會隨著系統的運行而繼續移動。

司特勒-布洛索實驗室採用了循環裡德伯原子（也就是處於裡德伯圓形狀態的原子）和一種稱為雷射陷阱的技術。

賽林解釋說：「當一個原子被激發到圓形裡德伯能級時，它可以被描述為一個遠離圓形核運動的電子，該圓形軌道幾乎與細菌一樣大。因此，電子幾乎是自由的，自由電子像任何帶電粒子一樣，被強光場排斥。」

研究人員實質上利用了圓形裡德伯原子被強光排斥的特性去捕獲原子。為此，他們製造了一個圓形的光束，更確切地說是一個圓形雷射束，其中心處有一個暗點，最終原子將被俘獲。

塞林說：「如果電子在圓圈的中央，它就不會從中逸出，它被束縛在光束中。然後緊隨其後的是重核，通過庫侖相互作用被電子所吸引。我們通過捕獲電子來俘獲圓形的裡德伯原子。」

塞林和他的同事使用一種稱為空間光調製器（SLM）的工具產生了圓形的光束。 SLM是可以在光束上壓印相位圖樣的目標，從而可以改變這些光束的形狀。

到目前為止，全世界的研究人員僅能證明非圓形原子的雷射陷波的早期特徵，持續時間不超過幾微秒。另外，圓形裡德伯原子以前從未被雷射捕獲過。

塞林團隊的這一研究證明，圓形的裡德伯原子實際上可以被雷射捕獲，並且捕獲的時間長得多。到目前為止，研究人員已經能夠捕獲這些原子大約10毫秒，但是這種捕獲時間可能會在未來的研究中進一步增加。

塞林說：「我們還證明，俘獲圓形的裡德伯原子不會影響其性能，例如壽命，純度和量子相干性等。我們還證實了圓形裡德伯原子不受光子電離的影響。」

這一新研究成果可能對量子技術的發展具有許多重要的意義，其中包括用於量子模擬，傳感和信息處理的工具。事實上，在量子系統運行時，有效地將圓形裡德伯原子保持在適當的位置意味著這些原子可以使用更長的時間。最終可以提高不同量子技術​​的性能，例如提高傳感器的靈敏度，增加模擬器的仿真時間等等。

《物理評論快報》刊登了這篇研究報告。