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德国斯图加特大学第六物理研究所研究团队宣布，在一种被称为“圆形里德伯原子”的特殊量子体系上同时刷新三项世界纪录，包括原子寿命、原子尺寸以及激光陷阱中的保持时间。研究人员认为，这项突破有望推动高性能量子模拟器的发展，并为未来构建更强大的量子计算机奠定基础。
量子模拟器能够在可控环境下重现复杂量子系统的行为，是探索新型量子现象和验证量子计算技术的重要平台。里德伯原子长期被视为量子模拟和量子计算领域极具潜力的候选单元，但其对周围环境极为敏感，往往只能在极短时间内保持稳定，这也成为限制相关技术发展的关键障碍之一。
研究团队负责人蒂尔曼·普法乌表示，提升里德伯原子的稳定性一直是高性能量子模拟器研发中的核心挑战。团队此次成功将原子稳定时间提高至此前水平的20倍，为后续量子技术应用创造了更有利条件。
所谓里德伯原子，是指电子被激发至远离原子核高能轨道的原子结构。由于电子与原子核之间距离大幅增加，这类原子的体积可以达到普通原子的数千倍。更大的尺寸使其能够与相邻原子在更远距离上发生量子相互作用，这种特性对于构建和控制量子系统十分重要。
研究人员介绍，里德伯原子之间的相互作用距离可达到约5微米，约为人类头发丝厚度的十分之一。虽然在日常尺度下仍然极其微小，但在原子世界中已经属于相当遥远的距离。这也是中性原子量子技术青睐里德伯原子的原因之一。此类技术通过激光束俘获和操纵不带电荷的原子，实现量子信息处理。
团队此次研究的对象是圆形里德伯原子。在这种状态下，被激发的电子围绕原子核沿接近圆形的轨道运动。实验中，研究人员成功构造出直径约1.1微米的电子轨道，其尺度约为普通原子电子轨道的1万倍。
为了实现这一目标，团队开发出特殊实验平台，通过抑制环境中的黑体辐射干扰，在室温条件下创造出极其稳定的巨型原子。过去，类似实验往往需要昂贵且复杂的超低温环境，而此次成果在较为温和条件下实现，进一步提升了技术实用性。
在实验过程中，研究人员成功创下三项国际纪录。首先，他们测得了单个圆形里德伯原子迄今最长的寿命纪录。通过控制激发电子沿稳定圆形轨道运行，原子保持稳定状态长达11毫秒，比此前自由空间中类似状态提升超过20倍。
其次，研究团队创造了目前尺寸最大的可控圆形里德伯原子，其电子轨道达到约1.1微米，刷新了相关领域纪录。
第三项纪录则来自激光光镊中的原子俘获时间。研究人员利用激光束成功将这些巨型原子保持在陷阱中长达133毫秒，同样创造了新的世界纪录。
研究人员指出，圆形里德伯原子不仅寿命更长，而且对外部扰动更加稳定，同时仍保留里德伯原子强相互作用这一重要优势。这些特点使其成为未来量子模拟器和量子计算平台的理想候选方案。
随着量子计算研究不断推进，业界普遍认为未来实用化量子设备需要同时具备高稳定性、低错误率以及强大的可扩展能力。此次斯图加特大学取得的成果首次证明，圆形里德伯原子能够在室温环境下实现长时间稳定控制，有望显著减少量子运算中的误差累积问题。
研究团队表示，下一步将尝试构建由多个圆形里德伯原子组成的可编程量子系统，进一步探索其在量子模拟和量子计算中的实际应用潜力。随着这些“巨型原子”控制技术不断成熟，量子计算机距离更高性能和更大规模运行或将再进一步。
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