萨克雷大学的科学家最新发表了一项新研究，展示了在全息光学瓶形光束陷阱内里德堡态原子的三维陷阱，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上，这可能对未来实现量子模拟具有重要意义。

在这项研究中，研究人员使用了可以逐个操纵的激光冷却原子。受固态物理学的启发，单独操纵激光冷原子可以创造出人工完全受控的系统，实现所谓的量子模拟。量子模拟可以用实验平台进行，包括捕获离子和超导量子比特。

这个研究小组采用的方法，需要使用被困在微观光学陷阱（即光镊子）中的中性原子，通过激发它们到被称为里里德堡态的高度激发的原子水平来促使它们相互作用。开展这项研究的研究人员之一蒂埃里·拉哈耶(Thierry Lahaye)说：

到目前为止，在原子处于里德堡态的很短时间内，不得不关闭光镊子，因为里德堡态原子实际上受到光的排斥。这将原子保持在里德堡态能级的时间限制在几微秒内，因为原子飞离了捕获位置。

这项研究使得这一次有可能大大延长时间，即使原子处于里德堡态，也可以将其捕获。由于里德堡原子受到光的排斥，研究人员将激光束塑造成这样一种方式，即在每个原子被激发到里德堡态水平后，各个方向上都会出现一个被光包围的黑暗区域。

这种所谓的“瓶形光束”是使用一种称为空间光调制器(SLM)的衍射元件产生，这种衍射元件可以使用计算机进行控制。这一过程使研究人员延长了里德堡态原子用于量子模拟的时间。

（上图所示）这张通过瓶形光束的2D切割图，显示了光线在黑暗中心区域周围的强度分布：其中一个有一种光“管”，沿轴被两个“软木塞”堵住(整个分布围绕水平轴呈柱状对称)。

尽管瓶形光束之前曾在其他几个物理研究中使用过，但这是第一次专门用来限制单个里德堡态原子。有了这个陷阱，可以保持里德堡原子的时间延长到几百微秒（通常提高了40倍），只受到里德堡态能级自然寿命的限制。

该方案的一个重要特点是，它与量子模拟的目标一致，研究通过同时将两个原子捕获在两个不同的陷阱中。同时测量它们是否以与没有陷阱时完全相同的方式相互作用来检验这一点，当然时间要长得多。

在未来，研究人员将使用基于瓶形光束的方法，在涉及里德堡原子的量子模拟和量子逻辑操作中都可能被证明非常有用，从而提高复制物理系统的精度。研究人员现在正计划进行进一步的研究，以研究瓶形光束陷阱的潜在应用。

这项研究工作的自然延续将是超越这一原则证明，创造具有许多原子这种瓶形光束陷阱的大型阵列，以执行实际的量子模拟实验，同时受益于延长的捕获时间。

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参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.023201

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