网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

300K的黑体辐射光子,为何击不穿这个直径1微米的“巨型里德堡原子”?

0
分享至

在量子信息与量子模拟的前沿研究中,中性原子阵列凭借优异的可扩展性与高保真度操控能力,已成为最具竞争力的量子计算物理平台之一。而实现原子间强相互作用的关键,就在于将基态原子激发至高激发态——里德堡态(Rydberg States)。

然而,如何延长高激发里德堡态的相干寿命,长期以来一直制约着中性原子量子技术的性能上限。近期发表于《Nature Communications》的重磅论文《Long-lived giant circular Rydberg atoms at room temperature》,由德国斯图加特大学 Florian Meinert 教授领导的研究团队(Einius Pultinevicius 等人)完成。该研究巧妙融合了量子光学、电动力学抑制与微纳控制技术,在室温环境下攻克了困扰物理学界多年的里德堡原子寿命瓶颈。



物理痛点:黑体辐射与里德堡原子的寿命诅咒

常规的中性原子量子计算主要依赖于低角动量的里德堡态(例如S态或D态)。在这类状态下,原子的外层电子被激发到极高的主量子数n(通常n~50-80),使得原子的物理尺寸暴增上万倍,并产生极强的偶极-偶极相互作用与里德堡封锁效应。

但在室温环境下,这类低角动量里德堡态面临着致命的物理限制:

第一是辐射衰变。低角动量电子存在多种向下跃迁的衰变通道,导致自发辐射速率较高。

第二是黑体辐射诱导跃迁。室温环境(约 300 K)充斥着微波波段的黑体辐射光子,这些光子极易将高激发态原子击穿,诱导其跃迁至相邻能级或发生电离。

这两项因素使得常规里德堡原子的寿命被严格限制在 100 微秒数量级。为了延长寿命,过去的常见做法是将整个系统置于复杂的液氦低温恒温器中,通过将环境冷却至几开尔文来“冻结”黑体辐射。然而,低温系统极大地增加了实验装置的工程复杂性,限制了光学的可接入度与系统的可扩展性。

核心机制:圆形里德堡态与珀塞尔效应的协同

为了脱离对低温环境的依赖,斯图加特团队采取了双重突破策略:

1. 采用圆形里德堡态

在量子力学中,圆形里德堡态是指具有最大可能轨道角动量和磁量子数的特殊高激发态(即l=m=n-1)。在这种状态下,外层电子的波函数呈极度定域的“经典环形轨道”。

受量子力学选择定则(Δl=±1)的约束,处于圆形态的电子在衰变时只能逐级向下跃迁至n-1的圆形态。这种严格单通道的跃迁路径使其自发辐射寿命显著优于普通低角动量态。

2. 室温下的珀塞尔抑制

虽然圆形态抵抗自发辐射能力极强,但在室温下,相邻圆形态之间的低频微波过渡依然极其容易被室温黑体辐射光子所激发。

为解决这一难题,研究团队设计了一个微型电容器微腔结构。当电容器极板间距小于特定波长时,会改变局域电磁场模式结构。通过巧妙匹配极板距离,团队成功实现了珀塞尔效应的逆向利用——珀塞尔抑制:阻断了与黑体辐射跃迁频率重合的光子态密度,从而在 300 K 室温下有效屏蔽了黑体辐射对原子的破坏。

实验突破与关键指标

通过将高精度光学微操控技术与微波腔工程相结合,该实验创下了多项里程碑级别的物理数据:

  • 寿命突破10毫秒:实验成功将囚禁在光镊中的圆形里德堡原子寿命延长至 10 毫秒以上。这相比于传统的S态或D态寿命提升了两个数量级,比自由空间中的同类圆形态寿命提升了约 20 倍。
  • 巨型主量子数(n=103):研究团队成功制备并相干操控了主量子数高达n=103的巨型圆形里德堡原子。此时原子的直径已接近微米量级(约1μm),体积分外巨大。
  • 百毫秒级光镊囚禁:首次示范了将这种巨型圆形里德堡原子高保真地束缚在微型光镊势阱中,且储存时间可达数百毫秒。

与常规S或D轨道在室温下多通道衰变、对黑体辐射极度敏感且寿命短暂的特性相比,斯图加特团队通过将角动量量子数提升至l=n-1=102,结合微腔对黑体辐射的抑制,实现了极强相互作用与超长相干时间的完美融合。

科学意义与应用前景

《Long-lived giant circular Rydberg atoms at room temperature》的发表,对量子物理与量子信息领域产生了多维度的推动作用:

  1. 摆脱低温限制,解锁室温大规模量子计算:该项工作证明了无需昂贵且复杂的液氦低温系统,仅靠精妙的电磁边界设计,就能在常规室温光学平台上获得上百毫秒量级的原子相干寿命。这大幅降低了中性原子量子计算设备的工程复杂度。
  2. 极长相干时间与高保真度量子门:量子逻辑门的操作时间通常在纳秒到微秒量级,而里德堡态寿命被提升至 10 毫秒以上,意味着门操作时间与弛豫时间(T₁)的比值(即品质因数)得到了大幅提高,为实现突破 99.9% 保真度极限的量子门奠定了物理基础。
  3. 量子模拟与超敏测量新工具:主量子数n=103的巨型原子具有前所未有的极高电极化率。长寿命与强偶极相互作用的结合,使其能够用于模拟复杂的长时间尺度强关联量子多体动力学;同时也为搭建微波波段的超高灵敏度量子电场传感器提供了理想载体。

该研究完美展示了基础量子力学原理(选择定则与腔电动力学)与现代工程技术(微纳制造与光镊技术)相结合的强大威力,是中性原子量子技术迈向实用化道路上的重要里程碑。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
黄然非被带走,其供职的世界500强魏桥集团会受到牵连吗?

黄然非被带走,其供职的世界500强魏桥集团会受到牵连吗?

微评社
2026-10-20 14:56:28
江苏大学一新生心态崩了,7点30出门21点30才回宿舍,晚自习学姐陪坐还点名

江苏大学一新生心态崩了,7点30出门21点30才回宿舍,晚自习学姐陪坐还点名

育学笔谈
2026-10-20 20:50:38
二十届五中全会定档,核心议题有重大变化

二十届五中全会定档,核心议题有重大变化

天气观察站
2026-10-20 08:25:42
CBA新星厉害啊!对阵广厦狂砍25+7+7抢断,四川男篮后悔没要他吗

CBA新星厉害啊!对阵广厦狂砍25+7+7抢断,四川男篮后悔没要他吗

林子说事
2026-10-21 00:27:06
比尔盖茨表示:他这辈子犯过最大的错误,就是把原本属于微软的移动生态,拱手让给了安卓

比尔盖茨表示:他这辈子犯过最大的错误,就是把原本属于微软的移动生态,拱手让给了安卓

元气科技馆
2026-10-10 21:56:30
太卷了!广州众包14.8公里急送单47.7元含20元小费,骑手还在斟酌跨江路况,订单已被他人秒抢,骑手圈瞬间沸腾

太卷了!广州众包14.8公里急送单47.7元含20元小费,骑手还在斟酌跨江路况,订单已被他人秒抢,骑手圈瞬间沸腾

火山詩话
2026-10-20 10:01:42
永州女局长周晓芬离婚风波反转?天价赔偿背后,谁才是被逼到绝路的人

永州女局长周晓芬离婚风波反转?天价赔偿背后,谁才是被逼到绝路的人

十为先生
2026-10-20 17:57:08
法国巴黎部分街区再次实施宵禁

法国巴黎部分街区再次实施宵禁

国际在线
2026-10-21 06:57:32
公安部原副部长俞雷同志逝世

公安部原副部长俞雷同志逝世

南方都市报
2026-10-20 20:32:56
不透露爆燃手机的品牌,是想拉其他家下水吗?

不透露爆燃手机的品牌,是想拉其他家下水吗?

走读新生
2026-10-19 13:22:05
学历贬值,日本的剧本已经演完了,我们几乎在逐页重演

学历贬值,日本的剧本已经演完了,我们几乎在逐页重演

起点人文
2026-10-15 13:07:03
1979年,贺子珍终于抵达北京,她与毛主席拍下了最后一张合影!

1979年,贺子珍终于抵达北京,她与毛主席拍下了最后一张合影!

海佑讲史
2026-10-20 23:16:14
171万在押犯,关押率121!刑罚专家:我国重刑化远超印日,需改革

171万在押犯,关押率121!刑罚专家:我国重刑化远超印日,需改革

照亮你的前行之路
2026-10-18 06:41:51
苏区时期,王明为什么要一直死命打压从未谋面的毛泽东?

苏区时期,王明为什么要一直死命打压从未谋面的毛泽东?

尚书乔
2025-03-09 00:00:03
我国第二个上海已起飞!强势角逐西部第一城,人口将赶超北京?

我国第二个上海已起飞!强势角逐西部第一城,人口将赶超北京?

抽象派大师
2026-09-22 18:51:48
奥马尔可以被逮捕吗?

奥马尔可以被逮捕吗?

寰宇大观察
2026-10-20 15:03:29
方媛现在长相神态透着怪,眼神发直,看着不太机灵

方媛现在长相神态透着怪,眼神发直,看着不太机灵

情感大头说说
2026-10-21 02:22:18
戒指内藏麦迪逊广场,"Knicks in Five"刻上4比1

戒指内藏麦迪逊广场,"Knicks in Five"刻上4比1

绿茵狂热者
2026-10-21 07:25:21
正式退出,马琳发声,官宣意外决定,乒协批准

正式退出,马琳发声,官宣意外决定,乒协批准

懂球社
2026-10-20 10:03:20
杨鸣:北京已经具备冠军相,广东别不好意思赶紧联系莫兰德

杨鸣:北京已经具备冠军相,广东别不好意思赶紧联系莫兰德

狼叔评论
2026-10-20 22:24:24
2026-10-21 08:15:00
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1536文章数 807关注度
往期回顾 全部

科技要闻

新版MiniMax,能和DeepSeek掰手腕吗?

头条要闻

男子持尖刀捅刺邻居致2死1伤被判死刑:手段特别残忍

头条要闻

男子持尖刀捅刺邻居致2死1伤被判死刑:手段特别残忍

体育要闻

巴拉克:天生亚军与漫长极夜

娱乐要闻

刘恺威承认新恋情,打球认识

财经要闻

抄底万达之后 私募大佬又对恒大下手了

汽车要闻

黑科技一次看全 2026奇瑞全球创新大会干货汇总

态度原创

教育
游戏
艺术
数码
本地

教育要闻

三年级附加题,出错率极高

《消逝的光芒:困兽》目前没有大型新内容计划

艺术要闻

谁敢信?63岁大爷的油画竟被选进美院教材,质感强到像要溢出屏幕!

数码要闻

苹果官宣10月28日新品发布会:触屏MacBook Pro或亮相

本地新闻

一场垂直登高赛跑出了"山城"的真正内核

无障碍浏览 进入关怀版