Ilustração de um átomo circular de Rydberg de estrôncio preso em uma pinça óptica. Crédito:Aaron Götzelmann, Universidade de Stuttgart Uma equipe de pesquisadores do 5º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart está fazendo progressos importantes no campo da simulação quântica e da computação quântica baseada em átomos de Rydberg, superando uma limitação fundamental:o tempo de vida limitado dos átomos de Rydberg. Os estados circulares de Rydberg mostram um enorme potencial para superar esta limitação.
O artigo foi publicado na revista Physical Review X .
No mundo da computação quântica e da tecnologia de simulação quântica, existe um desafio fundamental ao usar átomos neutros:o tempo de vida dos átomos de Rydberg, que são os blocos de construção da computação quântica, é limitado. Mas há uma solução promissora:estados circulares de Rydberg.
Pela primeira vez, a equipe de pesquisa conseguiu gerar e capturar átomos circulares de Rydberg de um metal alcalino-terroso em uma série de pinças ópticas.
"Isso é emocionante porque eles são particularmente estáveis e podem estender enormemente a vida útil de um bit quântico. Eles, portanto, têm um grande potencial para o desenvolvimento de simuladores quânticos mais poderosos, "diz o Dr. Florian Meinert, Chefe do Grupo de Pesquisa Júnior do 5º Instituto de Física, responsável pelo projeto.
O significado dos átomos circulares de Rydberg
Um átomo circular de Rydberg é um tipo particular de átomo de Rydberg no qual o elétron excitado segue um caminho circular ao redor do núcleo atômico. Em comparação com outros estados de Rydberg, estes átomos têm uma maior estabilidade e uma vida útil mais longa. Isso os torna candidatos atraentes para uso como qubits.
Os estados circulares de Rydberg são conhecidos há décadas e foram a chave para experimentos ganhadores do Prêmio Nobel sobre a natureza quântica da interação luz-matéria. Recentemente, o potencial destes estados para a computação quântica tem sido cada vez mais discutido novamente.
Estrôncio, um metal alcalino-terroso
O estrôncio, um metal alcalino-terroso com dois elétrons opticamente ativos, foi escolhido para criar o átomo de Rydberg por oferecer possibilidades únicas. Uma vez preparado no estado circular de Rydberg, o segundo elétron orbitando o núcleo atômico pode ser usado para operações quânticas que já são conhecidas em pesquisas em computadores quânticos iônicos.
A equipe de pesquisa demonstrou a geração de estados circulares de altíssima energia de um isótopo de estrôncio com uma vida útil surpreendentemente longa de até 2,55 milissegundos à temperatura ambiente. Eles fizeram uso das propriedades especiais de uma cavidade que suprime a radiação de fundo interferente do corpo negro, o que conduziria o sensível elétron de Rydberg para outros níveis de Rydberg energeticamente vizinhos.
Sem esta blindagem, os Estados circulares não conseguiriam sobreviver por muito tempo. "Eles também devem sua vida útil mais longa ao momento angular máximo, que os protege da deterioração. Isso significa que os bits quânticos são mais estáveis e, portanto, menos suscetíveis a erros e interferências externas", explica Christian Hölzl, Ph.D. aluno do 5º Instituto de Física.
Bits quânticos sob controle
Outro aspecto importante da pesquisa foi o controle e manipulação precisos de um bit quântico de micro-ondas codificado em estados circulares. Esse chamado controle coerente permitiu aos cientistas usar pulsos de micro-ondas para alternar o qubit entre diferentes estados sem perder sua informação quântica.
Eles foram capazes de determinar com precisão a vida útil do bit quântico e obter informações importantes sobre sua estabilidade à temperatura ambiente. O controle coerente eficaz é crucial para a execução de operações quânticas e as torna precisas e confiáveis.
Uma ampla gama de aplicações
Os átomos circulares de Rydberg oferecem uma infinidade de possibilidades para a realização de operações quânticas e, em particular, simulações quânticas. "Sua versatilidade os torna atraentes para uma ampla gama de aplicações", diz o Prof. Tilman Pfau, Diretor do 5º Instituto de Física e do Centro supra-regional da Fundação Carl Zeiss para Fotônica Quântica em Jena, Stuttgart e Ulm (CZS Center QPhoton).
Como os átomos circulares de Rydberg podem ser especificamente capturados e manipulados com precisão em pinças ópticas ou outros tipos de armadilhas, eles oferecem possibilidades para uma arquitetura escalável que pode ser vantajosa no futuro para a construção de grandes sistemas quânticos de bits baseados em átomos neutros.
