構(gòu)建魯棒且可擴展的量子計算機的關(guān)鍵在于開發(fā)長壽命量子比特。外電子處于高激發(fā)態(tài)的里德堡原子，由于它們的強相互作用，已成為有希望的候選者。然而，它們的致命弱點是壽命短，限制了相干時間——量子比特保持其量子信息的時間。

最近的一項研究解決了這一挑戰(zhàn)，他們創(chuàng)造了被捕獲在光鑷中的堿土原子的長壽命圓形里德堡量子比特。這這種方法克服了傳統(tǒng)里德堡原子系統(tǒng)的局限性，為構(gòu)建大規(guī)模量子計算機鋪平了道路。

里德堡原子有一個獨特的特點：外層電子占據(jù)的軌道主量子數(shù)(n)非常高，因此軌道半徑很大。這個大半徑意味著里德堡原子之間的強相互作用，這是構(gòu)建依賴于量子比特操縱的量子計算機的關(guān)鍵特性。通過操縱里德堡原子之間的相互作用，科學家可以執(zhí)行量子邏輯門，這是量子計算的基本組成部分。

然而，使它們具有吸引力的特征——它們的高n態(tài)——也導致了它們的衰落。在這種狀態(tài)下，被激發(fā)的電子松散地束縛在原子核上，使它們?nèi)菀淄ㄟ^光子的發(fā)射而衰變。這種快速衰減轉(zhuǎn)化為短相干時間，阻礙了它們在量子計算中的應(yīng)用。

研究人員探索了一種延長里德堡量子比特相干時間的新方法：利用圓態(tài)。在圓形狀態(tài)下，受激電子的軌道呈環(huán)狀，類似于繞太陽運行的行星。這種特殊的結(jié)構(gòu)提供了一個至關(guān)重要的優(yōu)勢：控制能級之間躍遷概率的選擇規(guī)則，顯著地抑制了圓形狀態(tài)的衰變。因此，與非圓形狀態(tài)相比，這些狀態(tài)表現(xiàn)出更長的壽命。(www.ws46.com)

這個實驗使用了鍶原子，一種堿土元素。研究人員使用光學鑷子捕獲這些原子，聚焦光束將原子限制在特定區(qū)域。這種捕獲機制允許對原子進行精確的操縱和控制。

該團隊在室溫下成功地在鍶原子中創(chuàng)造了主量子數(shù)高達79的圓形里德堡態(tài)。值得注意的是，這些狀態(tài)的壽命為2.5毫秒(ms)，這是迄今為止在室溫下觀察到的壽命最長的里德堡原子。這種延長的壽命意味著相干時間的顯著改善，這是構(gòu)建實用量子計算機的關(guān)鍵一步。

研究人員還通過用電容器板包圍被捕獲的原子，進一步提高了圓形里德堡態(tài)的壽命。這些板抑制了黑體輻射的有害影響，黑體輻射是由任何高于絕對零度的物體發(fā)出的電磁輻射。黑體輻射可以誘導里德堡格原子之間的能級躍遷，加速它們的衰變。通過減輕這種影響，研究人員能夠進一步延長其量子比特的相干時間。

長壽命圓形里德堡量子比特的成就代表了可擴展量子計算機發(fā)展的重大飛躍。相干時間的延長為復雜量子運算和更大量子電路的構(gòu)建鋪平了道路。然而，挑戰(zhàn)依然存在。雖然報道的相干時間有了顯著的改善，但在實際量子計算中仍需要進一步擴展。此外，將這種方法擴展到更大數(shù)量的量子比特，將需要捕獲技術(shù)的進一步進步，并在大量相互作用的里德堡格原子之間保持一致性。