Laboratorium uniwersyteckie manipuluje ultrazimnymi atomami Rydberga, aby naśladować interakcje kwantowe Nowości

Fizycy z Rice University przesuwają granice przestrzenne w nowych eksperymentach. Nauczyli się kontrolować elektrony w gigantycznych atomach Rydberga z taką precyzją, że mogą tworzyć „wymiary syntetyczne”, ważne narzędzia do symulacji kwantowych.

Zespół Rice’a opracował technikę inżynierii stanów Rydberga ultrazimnych atomów strontu poprzez zastosowanie rezonansowych mikrofalowych pól elektrycznych w celu połączenia kilku stanów. Stan Rydberga występuje, gdy pojedynczy elektron w atomie zderza się z silnym stanem wzbudzenia, przesuwając jego orbitę, aby atom był tysiące razy większy niż normalnie.

Ultrazimne atomy Rydberga mają około jedną milionową stopnia powyżej zera absolutnego. Poprzez delikatną i elastyczną manipulację ruchem elektronu, naukowcy z inicjatywy Rice Quantum Initiative skorelowali podobne do sieci poziomy Rydberga w sposób, który naśladuje aspekty prawdziwych materiałów. Technologie te mogą również pomóc w realizacji systemów, które nie są osiągalne w rzeczywistej przestrzeni 3D, tworząc potężną nową platformę do badań kwantowych.

Fizycy ryżu Tom Killian, Barry Dunning i Caden Hazard, wszyscy członkowie inicjatywy, szczegółowo opisali badania wraz z głównym autorem i doktorantem Soumyą Kanungu w artykule opublikowanym w Komunikacja przyrodnicza. Badanie opiera się na wcześniejszych pracach nad atomami Rydberga odkrytymi po raz pierwszy przez Killiana i Dunninga w 2018 roku.

Atomy Rydberga mają wiele regularnie rozmieszczonych poziomów energii kwantowej, które można łączyć z mikrofalami, które umożliwiają wysoce wzbudzonemu elektronowi przemieszczanie się z jednego poziomu na drugi. Dynamika w tym „sztucznym wymiarze” jest matematycznie równoważna cząstce poruszającej się między miejscami sieci w prawdziwym krysztale.

powiedział Hazzard, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii, który położył teoretyczne podstawy dla badań w kilku poprzednich artykułach. „Widać to nawet bardzo prymitywnym spektrofotometrem: słupek!

„Nowe jest tutaj to, że myślimy o każdym poziomie jako o lokalizacji w przestrzeni” – powiedział. „Wysyłając różne długości fal światła, możemy sparować poziomy. Możemy sprawić, by poziomy wyglądały jak cząstki, które poruszają się tylko między lokalizacjami w przestrzeni”.

„Trudno jest zrobić ze światłem – lub promieniowaniem elektromagnetycznym o nanofalach – ale pracujemy z falami o długości milimetrowej, co sprawia, że ​​tworzenie sprzężeń jest technicznie łatwe” – powiedział Hazzard.

„Możemy ustalić interakcje i sposób poruszania się cząstek oraz uchwycić całą ważną fizykę bardziej złożonego systemu” – powiedział Killian, profesor fizyki i astronomii ryżu oraz dziekan Wyss College of Natural Sciences.

„Naprawdę ekscytującą rzeczą jest połączenie wielu atomów Rydberga, aby stworzyć oddziałujące cząstki w tej sztucznej przestrzeni” – powiedział. „Dzięki temu będziemy mogli wykonywać fizykę, której nie możemy symulować na klasycznym komputerze, ponieważ bardzo szybko się komplikuje”.

Naukowcy zademonstrowali swoje techniki, realizując sieć 1D znaną jako system Su-Schrieffer-Heeger. Aby to osiągnąć, użyli laserów do chłodzenia atomów strontu i zastosowali mikrofale naprzemiennie z silnymi i słabymi sprzężeniami, aby stworzyć odpowiedni krajobraz syntetyczny. Drugi zestaw laserów został użyty do wzbudzenia atomów w wysoko położonych, sprzężonych stanach Rydberga.

Killian powiedział, że eksperyment ujawnił, w jaki sposób cząstki poruszają się przez siatkę 1D lub, w niektórych przypadkach, są zamrożone na krawędziach, mimo że mają wystarczająco dużo energii, aby się poruszać. Dotyczy to właściwości materiałów, które można opisać pod kątem topologii.

„O wiele łatwiej jest kontrolować amplitudę sprzężenia, gdy fale milimetrowe są używane do parowania stanów atomowych Rydberga” – powiedział Kanungo. „Kiedy osiągniemy tę jednowymiarową sieć, ze wszystkimi sprzężeniami na miejscu, możemy spróbować określić dynamikę, która będzie wynikiem wzbudzenia elektronu Rydberga w tej sztucznej przestrzeni”.

„Korzystanie z symulatora kwantowego jest trochę jak używanie tunelu aerodynamicznego do izolowania małych, ale ważnych uderzeń, na których Ci zależy, między bardziej złożoną aerodynamiką samochodu lub samolotu” – powiedział Killian. „Staje się to ważne, gdy system podlega mechanice kwantowej, gdzie gdy masz więcej niż kilka cząstek i kilka stopni swobody, opis tego, co się dzieje, staje się skomplikowany.

„Symulacja kwantowa jest jednym z mało ważnych owoców, które według ludzi będą wczesnymi i użytecznymi narzędziami do wyjścia z inwestycji w informatykę kwantową”, powiedział, zauważając, że ten eksperyment łączył techniki, które są obecnie dość standardowe w laboratoriach badających atomy. . Fizyka.

„Wszystkie technologie są dobrze ugruntowane” – powiedział. „Możesz nawet wyobrazić sobie, że staje się to rodzajem czarnej skrzynki, z której ludzie mogą korzystać, ponieważ poszczególne elementy są tak potężne”.

Współautorami artykułu są badacz podoktorancki Joseph Wallen, doktoranci Yi Lu i Sohail Dasgupta z Rice oraz doktorant Mingyuan z Rice i Uniwersytetu w Chicago. Dunning jest profesorem Sama i Helen Worden na Wydziale Fizyki i Astronomii.

Badania naukowe były wspierane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-17-1-0366), Narodową Fundację Nauki (1904294, 1848304) oraz Fundację Roberta A. Welcha (C-0734, C-1844, C-1872 ).