Французькі фізики експериментально показали можливість управління циркулярними рідбергівськими станами атомів за допомогою лазерного світла. Для цього вони використовували лужноземельні атоми з двома валентними електронами, один з яких переводили у високовізолений стан. Виявилося, що електростатичний зв'язок між електронами дозволяє зв'язати мікрохвильові та оптичні ступені свободи атомів, що в майбутньому допоможе створити гібридні квантові платформи. Дослідження опубліковано в.
Ідея квантових симуляцій заснована на схожості в поведінці систем, що складаються з принципово різних об'єктів. Симулювана система, як правило, недоступна для контролю її окремих елементів і занадто складна, щоб її можна було чисельно змоделювати за допомогою звичайних комп'ютерів. Симулююча система, навпаки, будується за допомогою елементів, чиїми властивостями і взаємодіями легко маніпулювати.
Однією з перспективних платформ для квантових симуляцій стали рідбергівські атоми, тобто атоми, валентні електрони яких знаходяться на орбітах з дуже великими головними квантовими числами. Такі атоми мають великий дипольний момент, отже, сильно взаємодіють один з одним, а також легко піддаються управлінню зовнішніми полями. Кілька років тому в матеріалі «П'ятдесят кубітів і ще один» ми докладно розповідали про 51-кубітного квантового симулятора на основі рідбергівських атомів, створеного групою Михайла Лукіна. А рік тому група Лукіна повідомила про створення вже 256-кубітного квантового симулятора.
Проблемою ридбергівських атомів, однак, став короткий час життя високовізолених станів. Як її рішення було запропоновано використовувати циркулярні ридбергівські стани, тобто стани з максимально можливою проекцією орбітального моменту електрону. Незважаючи на збільшений час життя збудженого стану (до однієї хвилини), доступ до таких атом може бути отриманий тільки за допомогою мікрохвильового випромінювання, що виключає адресацію окремим атомам. Крім того, вимірювання циркулярних ридбергівських станів страждає від зайвої деструктивності і складності.
Обійти ці труднощі вирішила команда французьких фізиків під керівництвом Мішеля Брюна (Michel Brune) і Себастьєна Глейзеса (Sébastien Gleyzes) з Університету Сорбонни. Вони запропонували використовувати для цієї мети лужноземельні атоми, що володіють двома валентними електронами, один з яких збуджується в циркулярний ридбергівський стан. Виявилося, що електростатичний зв'язок між електронами можна використовувати для оптичного управління рідбергівськими станами або, навпаки, для мікрохвильового управління станом остова. У майбутньому це дозволить створити гібридну оптико-мікрохвильову платформу для потреб квантових технологій.
Фізики пропускали пучок атомів стронцію через камеру, в яку потрапляло різне лазерне, мікрохвильове і радіочастотне випромінювання, а також постійне електричне поле напруженістю 1,4 вольта на сантиметр. В першу чергу фізики збуджували атоми в стан 51c, 5s1/2, тобто в стан, в якому один електрон знаходиться на рідбергівській циркулярній орбіті з головним квантовим числом, рівним 51, а другий залишається в основному стані. Віддаленість високоповітряної орбіти робить електронну структуру остова дуже схожою на таку у іона Sr +. Автори скористалися цим, щоб за допомогою двох лазерів з довжинами хвиль 422 і 1092 нанометри перевести другий електрон в метастабільний стан 4d3/2.
Електричне поле ридбергівського електрона зміщувало енергію остовного електрона за рахунок ефекту Штарка різним чином залежно від модуля проекції повного моменту імпульсу на вісь, сонаправлену із зовнішнім електричним полем. Фізики мали можливість перемикатися між цими подуровнямя за допомогою методу резонансної раманівської спектроскопії. Виявилося, що величина цього розщеплення залежить від головного квантового числа рідбергівського електрону.
Оскільки атом являє собою єдину систему, правильніше говорити про поправку до загальної його енергії, викликаної ефектом. Іншими словами, цей зв'язок працює в обидва боки: змінюючи це число за допомогою мікрохвиль, можна керувати оптичним відгуком остовного електрону, а можна, навпаки, змінювати властивості остова за допомогою лазера і бачити зміни в спектрах пропускання атомів в мікрохвильовому діапазоні. Автори в серії експериментів переконалися в працездатності обох підходів.
Як демонстрацію корисності цього методу дослідники продемонстрували, як можна впливати на квантову динаміку рідбергівського електрону за допомогою лазера. Спочатку вони готували атоми у вихідному 51c, 4d3/2 стані, після чого за допомогою мікрохвильових стежок/2-імпульсів переводили високовізолений електрон в квантову суперпозицію станів 51c і 49c і виробляли інтерферометрію Рамсея, стежачи за населеністю 49c. Залежність населеності від частоти являла собою характерні осциляції Рамсея.
Потім фізики повторили експеримент, але в середині протоколу додатково опромінювали атоми потрібним чином підібраним лазерним променем, який через зв'язок електронів перевертав фазу рідбергівської орбіти. В результаті вони побачили, що мікрохвильові осциляції Рамсея дійсно перейшли в протифазу, хоча і з трохи зменшеною амплітудою. Вчені пояснили такий витік паразитними осциляціями між штарківськими подурівнями стану 51c, 4d3/2.
Опосередковані методи впливу на об'єкти мікроміру іноді об'єднують терміном «квантова логіка». Нещодавно ми розповідали, як у такий спосіб вдалося вивчити неспругі співударіння ультрахолодних атомів та іонів.