Ricercatori del CNRS, L'Université Paris-Saclay in Francia ha recentemente dimostrato l'intrappolamento 3-D di atomi in uno stato di Rydberg all'interno di trappole ottiche olografiche a bottiglia. La loro dimostrazione, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe avere importanti implicazioni per la futura realizzazione di simulazioni quantistiche.

Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato atomi raffreddati al laser che possono essere manipolati uno per uno. La manipolazione individuale degli atomi raffreddati al laser consente la creazione di atomi artificiali, sistemi completamente controllati ispirati alla fisica dello stato solido, ottenendo quella che viene definita una simulazione quantistica.

Le simulazioni quantistiche possono essere effettuate con piattaforme sperimentali, inclusi ioni intrappolati e qubit superconduttori. L'approccio adottato da questo gruppo di ricerca prevede l'utilizzo di atomi neutri intrappolati in microscopiche trappole ottiche (cioè, pinzette ottiche), che sono spinti a interagire eccitandoli a livelli atomici altamente eccitati noti come stati di Rydberg.

"Finora, durante il breve tempo in cui gli atomi sono negli stati di Rydberg, abbiamo dovuto spegnere le pinzette ottiche perché gli atomi di Rydberg sono in realtà respinti dalla luce, "Thierry Lahaye, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Questo limita il tempo in cui gli atomi possono essere mantenuti nei livelli di Rydberg a pochi microsecondi, perché gli atomi volano via dalla posizione di intrappolamento. Il nostro studio ha permesso di estendere notevolmente questo tempo, intrappolando gli atomi anche quando sono in uno stato di Rydberg."

Poiché gli atomi di Rydberg sono respinti dalla luce, Lahaye e i suoi colleghi hanno modellato il loro raggio laser in modo tale che una regione oscura circondata dalla luce in tutte le direzioni apparisse esattamente dove si trovava ogni singolo atomo subito dopo essere stati eccitati al livello di Rydberg. Questo cosiddetto "fascio di bottiglia" è stato creato utilizzando un elemento diffrattivo noto come modulatore di luce spaziale (SLM), che può essere controllato utilizzando un computer.

Questa procedura ha permesso ai ricercatori di prolungare il tempo durante il quale gli atomi in uno stato di Rydberg potevano essere usati per la simulazione quantistica. Mentre i raggi di bottiglia sono stati precedentemente utilizzati in molti altri studi di fisica, questa è la prima volta che sono stati specificamente utilizzati per confinare i singoli atomi di Rydberg.

"Con questa trappola, il tempo in cui potevamo mantenere i nostri atomi di Rydberg è stato esteso a diverse centinaia di microsecondi (in genere un miglioramento di 40 volte), limitato solo dalla vita naturale dei livelli di Rydberg, " Ha spiegato Lahaye. "Una caratteristica importante dello schema è che è compatibile con l'obiettivo della simulazione quantistica, qualcosa che abbiamo verificato intrappolando simultaneamente due atomi in due trappole diverse e misurando se interagiscono esattamente come farebbero in assenza di una trappola, anche se per un tempo molto più lungo, Certo."

Nel futuro, il metodo basato sul fascio di bottiglie utilizzato da Lahaye e dai suoi colleghi potrebbe rivelarsi molto utile sia nelle simulazioni quantistiche che nelle operazioni di logica quantistica che coinvolgono gli atomi di Rydberg, migliorando la loro precisione nella riproduzione di sistemi fisici. I ricercatori stanno ora pianificando di condurre ulteriori studi per studiare le potenziali applicazioni delle trappole a fascio di bottiglie.

"Una naturale continuazione di questo lavoro sarebbe quella di andare oltre questa prova di principio e creare grandi schiere di tali trappole a fascio di bottiglie, con molti atomi, per eseguire un vero e proprio esperimento di simulazione quantistica beneficiando del tempo di intrappolamento esteso, "Ha detto Lahay.

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