物理学家控制原子中的电子来创造“合成维度”

莱斯大学的物理学家们正在新的实验中推动空间界限的发展。他们已经学会了如何精确地控制巨大的里德堡(Rydberg)原子中的电子，他们可以创造 “合成维度”，这是量子模拟的重要工具。

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莱斯大学研究团队开发了一种技术，通过应用共振微波电场将许多状态耦合在一起，来设计超冷锶原子的里德堡态。当原子中的一个电子在能量上被提升到一个高度激发的状态时，就会出现里德堡态，使其轨道超大，使原子比正常情况下大几千倍。

超冷的里德堡原子比绝对零度高约百万分之一。通过精确和灵活地操纵电子运动，莱斯量子计划的研究人员以模拟真实材料的方式将格子状的里德堡水平耦合起来。这些技术还可以帮助实现在真实三维空间中无法实现的系统，为量子研究创造一个强大的新平台。

莱斯大学物理学家Tom Killian、Barry Dunning和Kaden Hazzard都是该计划的成员，他们与主要作者和研究生Soumya Kanungo一起在《自然通讯》上发表了一篇论文，详细介绍了这项研究。这项研究建立在以前的工作基础上，Killian和Dunning在2018年首次探索了里德堡原子。

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里德堡原子拥有许多有规律间隔的量子能级，这些能级可以通过微波耦合，使高度激发的电子在能级之间移动。这个“合成维度”的动力学在数学上相当于一个粒子在真实晶体的晶格点之间移动。

Hazzard说：“在典型的高中物理实验中，人们可以看到来自原子的光发射线，它对应着从一个能级到另一个能级的转变，”Hazzard是物理学和天文学副教授，他在之前的几篇论文中为这项研究建立了理论基础。“人们甚至可以用一个非常原始的光谱仪看到这一点：一个棱镜！”

他说：“这里的新内容是，我们把每个层次看作是空间中的一个位置。通过送入不同波长的光，我们可以把水平线连接起来。我们可以使层次看起来像粒子，只是在空间位置之间移动。”

Hazzard说：“这很难用光--或纳米波长的电磁辐射--来做，但我们正在用毫米波长工作，这使得它在技术上更容易产生耦合作用。”

莱斯大学物理学和天文学教授、维斯自然科学学院院长Killian说：“我们可以设置相互作用，粒子移动的方式，并捕捉一个更复杂系统的所有重要物理学。”

他说：“真正令人兴奋的事情将是当我们把多个里德堡原子聚集在一起，在这个合成空间中创造相互作用的粒子。有了这个，我们将能够做一些我们无法在传统计算机上模拟的物理学，因为它很快就会变得很复杂。”

研究人员通过实现一个被称为Su-Schrieffer-Heeger系统的一维晶格来证明他们的技术。为了制造它，他们用激光器冷却锶原子，并应用具有交替的弱耦合和强耦合的微波来创造适当的合成景观。第二组激光器被用来将原子激发到耦合的、高位的里德堡态的流形。

Killian说，该实验揭示了粒子如何在一维晶格中移动，或者在某些情况下被冻结在边缘，即使它们有足够的能量来移动。这与可以用拓扑结构来描述的材料特性有关。

“当使用毫米波来耦合里德堡原子状态时，更容易对耦合振幅进行控制，”Kanungo说。“当我们实现了一维晶格，所有的耦合都到位了，我们可以尝试看看激发一个里德堡电子进入该合成空间会产生什么动力学。”

“使用量子模拟器有点像使用风洞，在汽车或飞机更复杂的空气动力学中分离出你所关心的小而重要的影响，”Killian说。“当系统受量子力学支配时，这就变得很重要了，只要你有几个粒子和几个自由度，描述正在发生的事情就变得很复杂。”

他说：“量子模拟器是人们认为对量子信息科学的投资将成为早期有用的工具之一。”他指出，这个实验结合了现在研究原子物理的实验室中相当标准的技术。

他说：“所有的技术都是成熟的。你甚至可以设想这几乎成为一个人们可以使用的黑匣子实验，因为各个部分都非常强大。”

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28550-y

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