光晶格中的原子被捕获在 0.5 微米的距离处，通过超快激发技术被激发到里德堡态。紧密的里德堡原子之间的相互作用会产生排斥力。图片来源：Takafumi Tomita（Kenji Ohmori 集团）

分子科学研究所的研究人员在他们的超快量子模拟器中揭示了电子态和运动态之间的量子纠缠，这是由里德堡原子之间的强相互作用产生的排斥力产生的。他们还提出了一种新的量子模拟方法，包括粒子之间的排斥力。他们的研究于 8 月 30 日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters） 上。

由光阱捕获和组装的冷原子作为量子计算、量子模拟和量子传感等量子技术的平台而受到关注。各个原子的量子态之间的相关性（称为量子纠缠）在量子技术中起着至关重要的作用。巨大的电子轨道，称为里德伯格态，用于在冷原子平台上产生量子纠缠。

在本文中，作者详细研究了超快量子模拟器中的量子态，他们揭示了电子态和运动态之间的量子纠缠是由里德伯格态中原子之间的强排斥力形成的，此外还有原子电子态之间的量子纠缠。

通过激光冷却将 300,000 个铷原子冷却至 100 纳开尔文，并加载到光阱中形成光晶格，从而产生 0.5 微米的间距。然后，通过照射仅持续 10 皮秒的超短脉冲激光，产生了基态与 5s 轨道中电子的基态和巨型 29s 轨道中电子的里德堡态的量子叠加。

在以前的研究中，里德堡原子之间的距离被限制在大约 5 微米，因为里德堡原子禁止周围原子激发到里德堡态，称为里德堡封锁。作者通过超短脉冲激光的超快激发来避免这种影响。

通过观察量子叠加的时间演化，作者发现，除了电子态之间的纠缠外，电子态和运动态之间的量子纠缠是在几纳秒内形成的。这可以通过里德堡态中原子之间的排斥力来理解，这是由于非常强的相互作用，这引入了“原子要么处于里德伯状态”和“原子要么不运动”之间的相关性。

只有当里德堡原子与原子波函数在光晶格（60 纳米）中的扩散非常接近时，才会出现这种现象，并且由于作者独特的超快激发方法实现了 0.5 微米的距离，因此能够进行观察。

作者还提出了一种新的量子模拟方法，包括粒子之间的排斥力，例如材料中的电子。通过使用超快脉冲激光器在纳秒尺度上激发处于 Rydberg 态的原子，可以引入排斥力。通过快速重复此操作，可以任意控制被困在光晶格中的原子之间的排斥力。该方法有望实现一种新的量子模拟，涉及具有排斥力的粒子的运动状态。

本文的研究小组还通过开发超快冷原子量子计算机引起了人们的兴趣，该计算机将双量子比特门操作比传统的冷原子量子计算机快了两个数量级。超快冷原子量子计算机采用里德堡态实现双量子比特门操作，相互作用过程中原子运动的影响是降低操作保真度的主要原因之一。

本文通过实验揭示了电子态和运动态之间量子纠缠的产生过程，这代表了提高双量子比特门操作保真度和在未来实现具有社会意义的量子计算机的重要进展。

更多信息：V. Bharti 等人，里德堡原子超快动力学中的强自旋运动耦合，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.093405。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2311.15575

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv