Зачем нужны атомы Ридберга и как их удержать стабильными?

Рекордные 11 миллисекунд — именно столько времени удалось сохранять квантовое состояние круговых ридберговских атомов исследователям из Штутгартского университета. Это в двадцать раз дольше, чем в любых предыдущих экспериментах. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications, а новая методика уже названа глобально уникальной платформой для квантовых исследований.

Три рекорда, поставленные одновременно

Круговые ридберговские атомы — это гигантские атомы, в которых электрон движется по почти идеальной круговой орбите далеко от ядра. Диаметр такой орбиты достигает 1,1 микрометра, что примерно в десять тысяч раз больше, чем у обычного атома водорода. Именно такие объекты считаются одними из самых перспективных строительных блоков для квантовых компьютеров и симуляторов.

Команда доктора Флориана Майнерта поставила сразу три международных рекорда: самое долгое время жизни отдельного атома, самый большой размер контролируемых атомов и самое длительное удержание таких атомов в оптических пинцетах. Атомы оставались стабильными 11 мс, а удерживать их в ловушке удалось целых 133 миллисекунды — недостижимый ранее показатель.

«Эти рекорды открывают новые возможности для создания более мощных квантовых симуляторов, выполнения большего числа вычислений и более точного управления квантовыми системами», — отмечает Эйниус Пультиневичюс, докторант из команды Майнерта.

Ридберговские атомы взаимодействуют друг с другом на расстоянии около 5 микрометров. Это лишь десятая часть толщины человеческого волоса, но для микроскопического мира атомов такое расстояние действительно огромно. Именно поэтому они способны обмениваться информацией и вступать в управляемые квантовые взаимодействия.

Комнатная температура вместо жидкого гелия

До сих пор эксперименты с такими атомами требовали сложного охлаждения до сверхнизких температур. Причина — невидимое тепловое излучение стенок лабораторной камеры. Каждая поверхность при обычной температуре испускает микроволны, которые легко разрушают сверхчувствительную электронную оболочку ридберговского атома. Раньше учёные подавляли этот эффект, охлаждая установку жидким гелием до температур около −270 °C.

Новая работа использует принцип, предложенный ещё в 1980-х годах. Атомы помещаются между двумя прозрачными электропроводящими пластинами, которые создают экран и подавляют мешающие микроволны. Подробное описание методики опубликовано в статье для Nature Communications: исследование в открытом доступе.

«Мы применили классическую концепцию в современной квантовой платформе. Результат доказывает, что рекордно долгоживущие ридберговские атомы возможны даже при обычной комнатной температуре», — говорит профессор Тильман Пфау, руководитель пятого института физики.

Почему стабильность так важна

Нейтральные атомы в оптических пинцетах — одна из самых перспективных платформ для масштабных квантовых симуляторов. Такие устройства воспроизводят сложные квантовые системы и позволяют изучать их поведение без необходимости строить полноценный квантовый компьютер. Однако долгое время главным барьером была именно нестабильность ридберговских состояний.

Увеличение времени жизни до 11 мс радикально меняет картину. Теперь квантовая информация может храниться достаточно долго, чтобы выполнять сложные последовательности операций. Это напрямую влияет на точность вычислений и снижает число ошибок.

Что даёт повышенная стабильность атомов в практическом смысле:

• более длительные цепочки квантовых операций;
• повышение точности контроля над отдельными атомами;
• возможность отказаться от дорогостоящей криогенной техники.

По словам исследователей, новые рекорды открывают путь к созданию квантовых систем, которые работают в обычных лабораторных условиях и при этом сохраняют высокую производительность.

Дальнейшие шаги и перспективы

Теперь университет Штутгарта обладает экспериментальной установкой, не имеющей аналогов в мире. На её основе исследователи планируют конструировать новые квантовые компьютеры, высокоточные квантовые сенсоры и улучшенные квантовые симуляторы. Управление атомами с помощью лазерных пучков уже работает при комнатной температуре, что делает технологию доступной для масштабирования.

Повышение устойчивости в двадцать раз — это не просто улучшение цифр. Это качественный скачок: раньше учёные были ограничены долями миллисекунды, а теперь у них есть целая платформа для изучения квантовых явлений в непривычно долгом масштабе времени.

Где предел подобной технологии? Ответ пока неясен. Возможно, следующий шаг — создание массивов из сотен таких атомов, которые будут обмениваться информацией на рекордных расстояниях. Или появятся гибридные схемы, сочетающие круговые ридберговские атомы с другими типами кубитов. В любом случае новые рекорды — это ещё один шаг к практичным квантовым устройствам будущего.