2.55毫秒！里德堡原子突破量子比特寿命限制

光子盒研究院

现在，斯图加特大学第五物理研究所的研究团队克服了一个根本性的限制：里德堡原子的有限寿命，为基于里德堡原子的量子模拟和量子计算领域带来了重大进展。相关成果已在《物理评论 X》杂志上发表。

研究人员通过将锶原子置于“圆”态（circular Rydberg state，外层电子在行星状轨道上运动），记录下了最长的里德堡原子寿命

在量子计算和量子模拟技术的发展中，一个基本挑战是使用的里德堡原子作为量子计算的基石，其寿命有限。然而，圆状里德堡态（circular Rydberg state）提供了一个充满希望的解决方案。

研究团队在光学镊子阵列中首次成功生成并捕获了碱土金属的圆状里德堡原子。斯图加特大学第五物理研究所的初级研究组组长Florian Meinert博士表示：“这一成果令人兴奋，因为圆状里德堡原子特别稳定，能显著延长量子比特的寿命，从而在开发更强大的量子模拟器方面展现出巨大的潜力。

圆状里德堡原子是一种特殊类型的里德堡原子，在此状态下，受激电子沿圆形路径绕核旋转。相比其他里德堡态，这种原子显示出更高的稳定性和更长的寿命，使其成为极具吸引力的量子比特候选者。

迄今为止，人们对里德堡态已有数十年的研究经验，这些状态是研究光与物质相互作用量子性质的关键，也是多次诺贝尔奖研究的核心。然而，里德堡态的寿命较短，通常在10到100微秒之间，这对其应用造成了根本性的限制。

锶，一种具有两个光学活性电子的碱土金属，因具备可以独立于里德堡电子操作的第二个外层电子，而被选为此次实验材料。这一特性未来可用于扩展量子模拟操作至更大的原子阵列。

在里德堡原子中，外层电子占据高能轨道，而圆形状态则具有最大的角动量。Meinert博士解释称：“圆态里德堡原子的轨道形似薄环，近似于行星环绕恒星的开普勒轨道。这种状态具有较长寿命，因为选择规则抑制了其衰变到低能量状态。”一旦圆状里德堡态制备完成，第二电子便可用于量子运算，这一点在离子量子计算机研究中已广为人知。

实验中，研究团队成功展示了一种锶同位素的高能圆态（high-energy circular states）生成，其在室温下的寿命高达2.55毫秒，令人惊叹。他们通过利用空腔的特性有效抑制了黑体背景辐射的干扰，这种辐射通常会促使敏感的里德堡电子跃迁到其他能量水平。

第五物理研究所的博士生Christian Hölzl补充道：“由于其最大的角动量，这些圆态的寿命更长，这有助于防止它们衰变。这意味着量子比特更加稳定，从而减少了错误和外部干扰的影响。”

实验示意图

测量圆态量子比特相干性

圆态里德堡态的衰变动力学

研究的另一个关键方面是精确控制和操纵以圆态编码的微波量子比特（microwave quantum bit）。这种称为相干控制的技术允许科学家利用微波脉冲在不同的量子状态间转换量子比特，同时保持其量子信息不受损失。

此外，研究团队能够精确测定量子比特的寿命，并对其在室温下的稳定性获得了重要认识。有效的相干控制对执行精确可靠的量子操作至关重要。

圆状里德堡原子开辟了执行量子操作，尤其是量子模拟的新可能性。斯图加特大学第五物理研究所以及耶拿、斯图加特和乌尔姆的卡尔蔡司基金会超区域量子光子学中心（CZS Center QPhoton）的主任Tilman Pfau教授指出：“它们的多功能性使其在众多应用领域中显得尤为吸引人。”

由于圆里德堡原子可以在光学镊子或其他类型的捕获装置中被特别捕获和精确操纵，因此它们提供了构建可扩展结构的可能性，这对于未来基于中性原子的大型量子比特系统的构建可能极具价值。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2024-05-physicist-milestone-quantum-simulation-circular.html

[2]https://physics.aps.org/articles/v17/s52

[3]https://entechonline.com/revolution-in-quantum-computing-with-circular-rydberg-atoms/

[4]https://www.techexplorist.com/milestone-quantum-simulation-circular-rydberg-qubits/83661/

[5]https://www.research-in-germany.org/idw-news/en_US/2024/5/2024-05-07_Milestone_in_quantum_simulation_with_circular_Rydberg_qubits.html