延长里德堡原子的寿命

构建鲁棒且可扩展的量子计算机的关键在于开发长寿命量子比特。外电子处于高激发态的里德堡原子，由于它们的强相互作用，已成为有希望的候选者。然而，它们的致命弱点是寿命短，限制了相干时间——量子比特保持其量子信息的时间。

最近的一项研究解决了这一挑战，他们创造了被捕获在光镊中的碱土原子的长寿命圆形里德堡量子比特。这这种方法克服了传统里德堡原子系统的局限性，为构建大规模量子计算机铺平了道路。

里德堡原子有一个独特的特点：外层电子占据的轨道主量子数(n)非常高，因此轨道半径很大。这个大半径意味着里德堡原子之间的强相互作用，这是构建依赖于量子比特操纵的量子计算机的关键特性。通过操纵里德堡原子之间的相互作用，科学家可以执行量子逻辑门，这是量子计算的基本组成部分。

然而，使它们具有吸引力的特征——它们的高n态——也导致了它们的衰落。在这种状态下，被激发的电子松散地束缚在原子核上，使它们容易通过光子的发射而衰变。这种快速衰减转化为短相干时间，阻碍了它们在量子计算中的应用。

研究人员探索了一种延长里德堡量子比特相干时间的新方法：利用圆态。在圆形状态下，受激电子的轨道呈环状，类似于绕太阳运行的行星。这种特殊的结构提供了一个至关重要的优势：控制能级之间跃迁概率的选择规则，显著地抑制了圆形状态的衰变。因此，与非圆形状态相比，这些状态表现出更长的寿命。

这个实验使用了锶原子，一种碱土元素。研究人员使用光学镊子捕获这些原子，聚焦光束将原子限制在特定区域。这种捕获机制允许对原子进行精确的操纵和控制。

该团队在室温下成功地在锶原子中创造了主量子数高达79的圆形里德堡态。值得注意的是，这些状态的寿命为2.5毫秒(ms)，这是迄今为止在室温下观察到的寿命最长的里德堡原子。这种延长的寿命意味着相干时间的显著改善，这是构建实用量子计算机的关键一步。

研究人员还通过用电容器板包围被捕获的原子，进一步提高了圆形里德堡态的寿命。这些板抑制了黑体辐射的有害影响，黑体辐射是由任何高于绝对零度的物体发出的电磁辐射。黑体辐射可以诱导里德堡格原子之间的能级跃迁，加速它们的衰变。通过减轻这种影响，研究人员能够进一步延长其量子比特的相干时间。

长寿命圆形里德堡量子比特的成就代表了可扩展量子计算机发展的重大飞跃。相干时间的延长为复杂量子运算和更大量子电路的构建铺平了道路。然而，挑战依然存在。虽然报道的相干时间有了显著的改善，但在实际量子计算中仍需要进一步扩展。此外，将这种方法扩展到更大数量的量子比特，将需要捕获技术的进一步进步，并在大量相互作用的里德堡格原子之间保持一致性。