在全息光學(xué)“瓶形光束”陷阱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)里德堡態(tài)原子的三維陷阱！

薩克雷大學(xué)的科學(xué)家最新發(fā)表了一項(xiàng)新研究，展示了在全息光學(xué)瓶形光束陷阱內(nèi)里德堡態(tài)原子的三維陷阱，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，這可能對(duì)未來實(shí)現(xiàn)量子模擬具有重要意義。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了可以逐個(gè)操縱的激光冷卻原子。受固態(tài)物理學(xué)的啟發(fā)，單獨(dú)操縱激光冷原子可以創(chuàng)造出人工完全受控的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所謂的量子模擬。量子模擬可以用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行，包括捕獲離子和超導(dǎo)量子比特。

這個(gè)研究小組采用的方法，需要使用被困在微觀光學(xué)陷阱（即光鑷子）中的中性原子，通過激發(fā)它們到被稱為里里德堡態(tài)的高度激發(fā)的原子水平來促使它們相互作用。開展這項(xiàng)研究的研究人員之一蒂埃里·拉哈耶(Thierry Lahaye)說：

到目前為止，在原子處于里德堡態(tài)的很短時(shí)間內(nèi)，不得不關(guān)閉光鑷子，因?yàn)槔锏卤B(tài)原子實(shí)際上受到光的排斥。這將原子保持在里德堡態(tài)能級(jí)的時(shí)間限制在幾微秒內(nèi)，因?yàn)樵语w離了捕獲位置。

這項(xiàng)研究使得這一次有可能大大延長(zhǎng)時(shí)間，即使原子處于里德堡態(tài)，也可以將其捕獲。由于里德堡原子受到光的排斥，研究人員將激光束塑造成這樣一種方式，即在每個(gè)原子被激發(fā)到里德堡態(tài)水平后，各個(gè)方向上都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)被光包圍的黑暗區(qū)域。

這種所謂的“瓶形光束”是使用一種稱為空間光調(diào)制器(SLM)的衍射元件產(chǎn)生，這種衍射元件可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。這一過程使研究人員延長(zhǎng)了里德堡態(tài)原子用于量子模擬的時(shí)間。

（上圖所示）這張通過瓶形光束的2D切割圖，顯示了光線在黑暗中心區(qū)域周圍的強(qiáng)度分布：其中一個(gè)有一種光“管”，沿軸被兩個(gè)“軟木塞”堵住(整個(gè)分布圍繞水平軸呈柱狀對(duì)稱)。

盡管瓶形光束之前曾在其他幾個(gè)物理研究中使用過，但這是第一次專門用來限制單個(gè)里德堡態(tài)原子。有了這個(gè)陷阱，可以保持里德堡原子的時(shí)間延長(zhǎng)到幾百微秒（通常提高了40倍），只受到里德堡態(tài)能級(jí)自然壽命的限制。

該方案的一個(gè)重要特點(diǎn)是，它與量子模擬的目標(biāo)一致，研究通過同時(shí)將兩個(gè)原子捕獲在兩個(gè)不同的陷阱中。同時(shí)測(cè)量它們是否以與沒有陷阱時(shí)完全相同的方式相互作用來檢驗(yàn)這一點(diǎn)，當(dāng)然時(shí)間要長(zhǎng)得多。

在未來，研究人員將使用基于瓶形光束的方法，在涉及里德堡原子的量子模擬和量子邏輯操作中都可能被證明非常有用，從而提高復(fù)制物理系統(tǒng)的精度。研究人員現(xiàn)在正計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以研究瓶形光束陷阱的潛在應(yīng)用。

這項(xiàng)研究工作的自然延續(xù)將是超越這一原則證明，創(chuàng)造具有許多原子這種瓶形光束陷阱的大型陣列，以執(zhí)行實(shí)際的量子模擬實(shí)驗(yàn)，同時(shí)受益于延長(zhǎng)的捕獲時(shí)間。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.023201

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