沖繩科技大學研究生院（OIST）量子技術部輕物質相互作用的研究人員，在奈米薄光纖附近產生了裡德堡原子，即異常大的激發原子，其研究發現發表在《物理評論研究》期刊上，標誌著量子資訊處理的新平臺取得了進展，該平臺有可能給材料和藥物發現帶來革命性的變化，並提供更安全的量子通訊。由於裡德堡原子對電場和磁場的非凡敏感性，長期以來一直激起物理學家的興趣。

與奈米光學纖維結合使用，這些超敏感原子可以在新型可伸縮量子裝置中發揮重要作用，然而，裡德堡原子顯然很難控制。沖繩科技大學研究生院的博士生、該研究的第一作者克里希納普里亞·蘇布拉莫尼安·拉賈斯里(Krishnapya Subramonian Rajasree)說：這項研究的主要目的是讓裡德堡原子接近奈米纖維。這一裝置為研究裡德堡原子和奈米纖維表面之間的相互作用創造了一個新系統。

為了進行研究，科學家們使用了一種名為磁光陷阱的裝置來捕獲一簇銣(Rb)原子團，將原子的溫度降低到絕對零度以上一度（約-272攝氏度），並讓奈米纖維穿過原子雲。然後，科學家們使用482 nm的光束穿過奈米纖維，將銣原子激發到更高能量的裡德堡狀態。這些圍繞奈米纖維表面形成的裡德堡原子，在尺寸上比普通的裡德堡原子要大。當原子的電子獲得能量時，它們會遠離原子核，產生更大的原子。

（上圖所示）科學家們使用一種名為磁光阱(MOT)的裝置來捕獲和冷卻銣原子，然後將其激發到裡德堡狀態。圖片：Okinawa Institute of Science and Technology

這種不同尋常的大小提高了原子對其環境和其他裡德堡原子存在的敏感度。通過實驗，科學家們將裡德堡原子帶到了距離奈米光纖僅幾奈米的範圍內，從而增加了原子與在奈米光纖中傳播的光之間的相互作用。由於裡德堡原子的反常性質，它們逃出了磁光阱。通過研究原子損失如何依賴於光的功率和波長，科學家們能夠理解裡德堡原子行為的各個方面。

利用光在奈米光纖中傳播的能力來激發並控制裡德堡原子，可能有助於為量子通訊方法鋪平道路，同時也預示著量子計算的漸進進展。OIST的博士後學者、該研究的合著者傑西·埃弗雷特(Jesse Everett)博士說：了解光和裡德堡原子之間的相互作用是至關重要的，利用這些原子可以利用非常少量的光安全地路由通訊訊號。展望未來，研究人員希望結合光學奈米纖維進一步研究裡德堡原子的性質。

在未來的研究中，研究打算觀察尺寸更大的裡德堡原子，以探索這個系統的可能性和侷限性。這是一個由冷裡德堡原子和奈米光纖介面組成的可控混合量子系統，利用雙光子梯形激發。研究也證明了在距奈米纖維表面亞微米距離的相干和非相干裡德堡激發。這項工作在研究亞微米里德堡原子-表面相互作用和將冷裡德堡原子用於全光纖量子網路方面取得了新進展。

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.012038