薩克雷大學的科學家最新發表了一項新研究，展示了在全息光學瓶形光束陷阱內裡德堡態原子的三維陷阱，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上，這可能對未來實現量子模擬具有重要意義。

在這項研究中，研究人員使用了可以逐個操縱的鐳射冷卻原子。受固態物理學的啟發，單獨操縱鐳射冷原子可以創造出人工完全受控的系統，實現所謂的量子模擬。​量子模擬可以用實驗平臺進行，包括捕獲離子和超導量子位元。

這個研究小組採用的方法，需要使用被困在微觀光學陷阱（即光鑷子）中的中性原子，通過激發它們到被稱為裡裡德堡態的高度激發的原子水平來促使它們相互作用。開展這項研究的研究人員之一蒂埃裡·拉哈耶(Thierry Lahaye)說：

到目前為止，在原子處於裡德堡態的很短時間內，不得不關閉光鑷子，因為裡德堡態原子實際上受到光的排斥。這將原子保持在裡德堡態能級的時間限制在幾微秒內，因為原子飛離了捕獲位置。

這項研究使得這一次有可能大大延長時間，即使原子處於裡德堡態，也可以將其捕獲。由於裡德堡原子受到光的排斥，研究人員將鐳射束塑造成這樣一種方式，即在每個原子被激發到裡德堡態水平後，各個方向上都會出現一個被光包圍的黑暗區域。

這種所謂的“瓶形光束”是使用一種稱為空間光調製器(SLM)的衍射元件產生，這種衍射元件可以使用計算機進行控制。這一過程使研究人員延長了裡德堡態原子用於量子模擬的時間。

（上圖所示）這張通過瓶形光束的2D切割圖，顯示了光線在黑暗中心區域周圍的強度分佈：其中一個有一種光“管”，沿軸被兩個“軟木塞”堵住(整個分佈圍繞水平軸呈柱狀對稱)。

儘管瓶形光束之前曾在其他幾個物理研究中使用過，但這是第一次專門用來限制單個裡德堡態原子。有了這個陷阱，可以保持裡德堡原子的時間延長到幾百微秒（通常提高了40倍），只受到裡德堡態能級自然壽命的限制。

該方案的一個重要特點是，它與量子模擬的目標一致，研究通過同時將兩個原子捕獲在兩個不同的陷阱中。同時測量它們是否以與沒有陷阱時完全相同的方式相互作用來檢驗這一點，當然時間要長得多。

在未來，研究人員將使用基於瓶形光束的方法，在涉及裡德堡原子的量子模擬和量子邏輯操作中都可能被證明非常有用，從而提高複製物理系統的精度。研究人員現在正計劃進行進一步的研究，以研究瓶形光束陷阱的潛在應用。

這項研究工作的自然延續將是超越這一原則證明，創造具有許多原子這種瓶形光束陷阱的大型陣列，以執行實際的量子模擬實驗，同時受益於延長的捕獲時間。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.023201