Zirkuläre Rydberg-Zustände bieten Lebensdauern, die um Größenordnungen länger sind als die der Zustände mit niedrigem Drehimpuls, die üblicherweise für Quantensimulationen und das Quantencomputing mit neutralen Atomen verwendet werden. Diese langen Lebensdauern ermöglichen es, die grundlegenden Limitierungen für die Kohärenzeiten der Rydberg-Plattform um Größenordnungen zu verschieben. Allerdings werden die in zirkulären Zuständen kodierten Qubits typischerweise mittels global eingestrahlter Mikrowellen statt durch fokussiertes Laserlicht gesteuert, was die lokale Kontrolle einzelner Atome erschwert. Atome mit zwei Valenzelektronen bieten eine verblüffende Lösung für dieses Problem. Während eines der Elektronen als Qubit dient, das in zirkularen Rydberg-Orbitalen präpariert ist, kann das zweite Elektron mit Lasern kohärent kontrolliert werden. In unseren Experimenten verwenden wir Strontium Atome, bei denen sich das zweite Elektron der inneren Schale im Wesentlichen wie das eines Strontium Ions verhält.
Was noch fehlt, ist ein Link zwischen den beiden Elektronen über eine langreichweitige Wechselwirkung. Inspiriert durch Arbeiten an Atomstrahlen haben wir diesen Link nun für einzelne zirkulare Rydberg-Qubits in Tweezer-Arrays hergestellt. Die Elektronen sprechen miteinander über elektrostatische Wechselwirkungen, insbesondere über eine Quadrupol Kopplung, wenn das Elektron der inneren Schale in einem metastabilen D-Niveau des ionischen Kerns präpariert ist. Wir haben diese optisch schaltbare Wechselwirkung durch Frequenzverschiebungen im Kilohertzbereich an unserem zirkularen Rydberg-Qubit gemessen.
Der Zugang zu solchen Energieskalen erfordert in der Tat die lange Lebensdauer zirkularer Rydberg-Atome und eröffnet faszinierende Perspektiven für die Spektroskopie schmaler Übergänge im Inneren eines Rydberg-Atoms. Ein nächster Schritt ist die Nutzung der etablierten Kontrolle für die lokale optische Manipulation, Laserkühlung und direkte optische Abbildung von zirkularen Rydberg-Qubits der Erdalkalimetalle.
Originalveröffentlichung
Quadrupole Coupling of Circular Rydberg Qubits to Inner Shell Excitations
M. Wirth, C. Hölzl, A. Götzelmann, E. Pultinevicius, and F. Meinert
Phys. Rev. Lett. 133, 123403 – Published 19 September 2024
