室温下长寿命巨型圆里德伯原子：珀塞尔抑制实现n=103相干操控与百毫秒光镊囚禁

《Nature Communications》：Long-lived giant circular Rydberg atoms at room temperature

　　

大自然普遍存在由大角动量实现的稳定性，其例涵盖经典力学、光学、化学乃至核物理。在原子中，角动量可通过选择定则保护受激电子轨道免于衰变。这一现象在高度激发的里德伯态中表现得尤为显著。低角动量里德伯态是近期中性原子量子计算、量子模拟与量子传感取得突破的核心。在这些应用中，里德伯能级的寿命为门保真度、相干时间或光谱精度设定了基本限制。对更长里德伯态寿命的追求推动了圆里德伯原子（circular Rydberg atoms, CRA）的产生、相干操控与囚禁；这类原子具有最大允许的电子轨道角动量，并曾是单原子与单光子开创性实验的关键。本研究中，研究人员报道观测到单个囚禁的圆里德伯原子，其寿命超过10毫秒，比已确立的低角动量轨道长两个数量级。该结果通过室温下对黑体辐射模式的珀塞尔抑制（Purcell suppression）实现。研究人员在迄今难以企及的高达 n = 103 的主量子数下对单个圆里德伯能级进行相干操控，并观察到里德伯原子在百毫秒时间尺度上的光镊囚禁。这些结果为利用极端寿命与巨型里德伯阻塞（Rydberg blockade）相结合开展量子信息处理与传感铺平了道路。

中性原子光镊阵列在过去几年发展成为量子计算与量子模拟最有前景的平台之一。通过激光激发到高度激发的里德伯态，可以调控原子间相互作用，从而编码和模拟量子多体哈密顿量。然而，常用的低角动量里德伯态（S或D轨道）由于光学衰变和黑体辐射（blackbody radiation, BBR）诱导衰变，寿命仅有约100微秒量级，这从根本上限制了门保真度、相干时间或光谱精度。圆里德伯态（circular Rydberg state, CRS）具有最大允许角动量（|m| = l = n ? 1），选择定则可以强烈抑制光学自发衰变，但仍需抑制黑体辐射；以往通常需要低温环境。为此，研究人员利用真空电容结构在室温下对黑体辐射模式进行珀塞尔抑制（Purcell suppression），并探索更高主量子数以进一步延长寿命。相关研究发表于《Nature Communications》。

研究人员以单个囚禁在光镊中的⁸⁸Sr原子为对象，先用光激发与射频绝热转移制备|