Циркулярными ридберговскими состояниями научились управлять с помощью света

Французские физики экспериментально показали возможность управления циркулярными ридберговскими состояниями атомов с помощью лазерного света. Для этого они использовали щелочноземельные атомы с двумя валентными электронами, один из которых переводили в высоковозбужденное состояние. Оказалось, что электростатическая связь между электронами позволяет связать микроволновые и оптические степени свободы атомов, что в будущем поможет создать гибридные квантовые платформы. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Идея квантовых симуляций основана на схожести в поведении систем, состоящих из принципиально разных объектов. Симулируемая система, как правило, недоступна для контроля ее отдельных элементов и слишком сложна, чтобы ее можно было численно смоделировать с помощью обычных компьютеров. Симулирующая система, напротив, строится с помощью элементов, чьими свойствами и взаимодействиями легко манипулировать.

Одной из перспективных платформ для квантовых симуляций стали ридберговские атомы, то есть атомы, валентные электроны которых находятся на орбитах с очень большими главными квантовыми числами. Такие атомы обладают большим дипольным моментом, следовательно, сильно взаимодействуют друг с другом, а также легко поддаются управлению внешними полями. Несколько лет назад в материале «Пятьдесят кубитов и еще один» мы подробно рассказывали о 51-кубитном квантовом симуляторе на основе ридберговских атомов, созданном группой Михаила Лукина. А год назад группа Лукина сообщила о создании уже 256-кубитного квантового симулятора.

Проблемой ридберговских атомов, однако, стало короткое время жизни высоковозбужденных состояний. В качестве ее решения было предложено использовать циркулярные ридберговские состояния, то есть состояния с максимально возможной проекцией орбитального момента электрона. Несмотря на увеличенное время жизни возбужденного состояния (до одной минуты), доступ к таким атомам может быть получен только с помощью микроволнового излучения, что исключает адресацию отдельным атомам. Кроме того, измерение циркулярных ридберговских состояний страдает от излишней деструктивности и сложности.

Обойти эти трудности решила команда французских физиков под руководством Мишеля Брюна (Michel Brune) и Себастьена Глейзеса (Sébastien Gleyzes) из Университета Сорбонны. Они предложили использовать для этой цели щелочноземельные атомы, обладающие двумя валентными электронами, один из которых возбуждается в циркулярное ридберговское состояние. Оказалось, что электростатическую связь между электронами можно использовать для оптического управления ридберговскими состояниями или, наоборот, для микроволнового управления состоянием остова. В будущем это позволит создать гибридную оптико-микроволновую платформу для нужд квантовых технологий.

Физики пропускали пучок атомов стронция через камеру, в которую попадало различное лазерное, микроволновое и радиочастотное излучение, а также постоянное электрическое поле напряженностью 1,4 вольта на сантиметр. В первую очередь физики возбуждали атомы в состояние 51c, 5s_1/2, то есть в состояние, в котором один электрон находится на ридберговской циркулярной орбите с главным квантовым числом, равным 51, а второй остается в основном состоянии. Удаленность высоковозбужденной орбиты делает электронную структуру остова очень похожей на таковую у иона Sr⁺. Авторы воспользовались этим, чтобы с помощью двух лазеров с длинами волн 422 и 1092 нанометра перевести второй электрон в метастабильное состояние 4d_3/2.

Электрическое поле ридберговского электрона смещало энергию остовного электрона за счет эффекта Штарка различным образом в зависимости от модуля проекции полного момента импульса на ось, сонаправленную с внешним электрическим полем. Физики имели возможность переключаться между этими подуровнямя с помощью метода резонансной рамановской спектроскопии. Оказалось, что величина этого расщепления зависит от главного квантового числа ридберговского электрона.

Поскольку атом представляет собой единую систему, правильнее говорить о поправке к общей его энергии, вызванной эффектом. Другими словами, эта связь работает в обе стороны: меняя это число с помощью микроволн, можно управлять оптическим откликом остовного электрона, а можно, наоборот, менять свойства остова с помощью лазера и видеть изменения в спектрах пропускания атомов в микроволновом диапазоне. Авторы в серии экспериментов убедились в работоспособности обоих подходов.

В качестве демонстрации полезности этого метода исследователи продемонстрировали, как можно влиять на квантовую динамику ридберговского электрона с помощью лазера. Сначала они готовили атомы в исходном 51c, 4d_3/2 состоянии, после чего с помощью микроволновых π/2-импульсов переводили высоковозбужденный электрон в квантовую суперпозицию состояний 51c и 49c и производили интерферометрию Рамсея, следя за населенностью 49c. Зависимость населенности от частоты представляла собой характерные осцилляции Рамсея.

Затем физики повторили эксперимент, но в середине протокола дополнительно облучали атомы нужным образом подобранным лазерным лучом, который через связь электронов переворачивал фазу ридберговской орбиты. В результате они увидели, что микроволновые осцилляции Рамсея действительно перешли в противофазу, хотя и с немного уменьшенной амплитудой. Ученые объяснили такую утечку паразитными осцилляциями между штарковскими подуровнями состояния 51c, 4d_3/2.

Опосредованные методы воздействия на объекты микромира иногда объединяют термином «квантовая логика». Недавно мы рассказывали, как таким способом удалось изучить неупругие соударения ультрахолодных атомов и ионов.

Марат Хамадеев