沖繩科技大學(xué)研究生院（OIST）量子技術(shù)部輕物質(zhì)相互作用的研究人員，在納米薄光纖附近產(chǎn)生了里德堡原子，即異常大的激發(fā)原子，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論研究》期刊上，

標(biāo)志著量子信息處理的新平臺(tái)取得了進(jìn)展，該平臺(tái)有可能給材料和藥物發(fā)現(xiàn)帶來革命性的變化，并提供更安全的量子通信。由于里德堡原子對(duì)電場和磁場的非凡敏感性，長期以來一直激起物理學(xué)家的興趣。

與納米光學(xué)纖維結(jié)合使用，這些超敏感原子可以在新型可伸縮量子設(shè)備中發(fā)揮重要作用，然而，里德堡原子顯然很難控制。沖繩科技大學(xué)研究生院的博士生、該研究的第一作者克里希納普里亞·蘇布拉莫尼安·拉賈斯里(Krishnapya Subramonian Rajasree)說：這項(xiàng)研究的主要目的是讓里德堡原子接近納米纖維。這一裝置為研究里德堡原子和納米纖維表面之間的相互作用創(chuàng)造了一個(gè)新系統(tǒng)。

不尋常的原子

為了進(jìn)行研究，科學(xué)家們使用了一種名為磁光陷阱的設(shè)備來捕獲一簇銣(Rb)原子團(tuán)，將原子的溫度降低到絕對(duì)零度以上一度（約-272攝氏度），并讓納米纖維穿過原子云。然后，科學(xué)家們使用482 nm的光束穿過納米纖維，將銣原子激發(fā)到更高能量的里德堡狀態(tài)。這些圍繞納米纖維表面形成的里德堡原子，在尺寸上比普通的里德堡原子要大。當(dāng)原子的電子獲得能量時(shí)，它們會(huì)遠(yuǎn)離原子核，產(chǎn)生更大的原子。

這種不同尋常的大小提高了原子對(duì)其環(huán)境和其他里德堡原子存在的敏感度。通過實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們將里德堡原子帶到了距離納米光纖僅幾納米的范圍內(nèi)，從而增加了原子與在納米光纖中傳播的光之間的相互作用。由于里德堡原子的反常性質(zhì)，它們逃出了磁光阱。通過研究原子損失如何依賴于光的功率和波長，科學(xué)家們能夠理解里德堡原子行為的各個(gè)方面。

利用光在納米光纖中傳播的能力來激發(fā)并控制里德堡原子，可能有助于為量子通信方法鋪平道路，同時(shí)也預(yù)示著量子計(jì)算的漸進(jìn)進(jìn)展。OIST的博士后學(xué)者、該研究的合著者杰西·埃弗雷特(Jesse Everett)博士說：了解光和里德堡原子之間的相互作用是至關(guān)重要的，利用這些原子可以利用非常少量的光安全地路由通信信號(hào)。展望未來，研究人員希望結(jié)合光學(xué)納米纖維進(jìn)一步研究里德堡原子的性質(zhì)。

在未來的研究中，研究打算觀察尺寸更大的里德堡原子，以探索這個(gè)系統(tǒng)的可能性和局限性。這是一個(gè)由冷里德堡原子和納米光纖界面組成的可控混合量子系統(tǒng)，利用雙光子梯形激發(fā)。研究也證明了在距納米纖維表面亞微米距離的相干和非相干里德堡激發(fā)。這項(xiàng)工作在研究亞微米里德堡原子-表面相互作用和將冷里德堡原子用于全光纖量子網(wǎng)絡(luò)方面取得了新進(jìn)展。

博科園｜研究/來自： 沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)

參考期刊《物理評(píng)論研究》

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.012038

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