Simulador de átomo frio demonstra emaranhamento quântico entre estados eletrônicos e de movimento

Pesquisadores do Institute for Molecular Science revelaram o emaranhamento quântico entre estados eletrônicos e de movimento em seu simulador quântico ultrarrápido, gerado pela força repulsiva devido à forte interação entre átomos de Rydberg. Eles também propõem um novo método de simulação quântica incluindo força repulsiva entre partículas. Seu estudo foi publicado em 30 de agosto em Cartas de revisão física.

Átomos frios capturados e montados por armadilhas ópticas atraíram a atenção como uma plataforma de tecnologia quântica, como computação quântica, simulação quântica e sensoriamento quântico. A correlação entre estados quânticos de átomos respectivos, chamada emaranhamento quântico, desempenha um papel essencial na tecnologia quântica. Orbitais eletrônicos gigantes, chamados estados de Rydberg, são usados ​​para gerar emaranhamento quântico nas plataformas de átomos frios.

Neste artigo, os autores investigaram o estado quântico no simulador quântico ultrarrápido em detalhes e revelaram que o emaranhamento quântico entre estados eletrônicos e estados de movimento é formado pela forte força repulsiva entre átomos no estado de Rydberg, além do emaranhamento quântico entre estados eletrônicos dos átomos.

Os 300.000 átomos de Rubídio foram resfriados até 100 nanokelvin por resfriamento a laser e carregados na armadilha óptica formando uma rede óptica, resultando em um espaçamento de 0,5 mícron. Então, a superposição quântica do estado fundamental com um elétron no orbital 5s e o estado Rydberg com um elétron no orbital gigante 29s foi gerada pela irradiação de uma luz laser de pulso ultracurto com duração de apenas 10 picossegundos.

Em estudos anteriores, a distância entre átomos de Rydberg foi restrita a cerca de 5 mícrons porque um átomo de Rydberg proíbe a excitação de átomos circundantes para o estado de Rydberg, chamado bloqueio de Rydberg. Os autores evitaram esse efeito pela excitação ultrarrápida com a luz laser de pulso ultracurto.

Ao observar a evolução temporal da superposição quântica, os autores descobriram que o emaranhamento quântico entre os estados eletrônicos e os estados de movimento é formado em alguns nanossegundos, além do emaranhamento entre os estados eletrônicos. Isso pode ser compreendido pela força repulsiva entre átomos no estado de Rydberg devido à interação muito forte, que introduz a correlação entre “ou o átomo está no estado de Rydberg ou não” e “ou o átomo está se movendo ou não”.

Esse fenômeno só aparece quando os átomos de Rydberg são comparáveis ​​à dispersão da função de onda atômica na rede óptica (60 nanômetros), e sua observação foi possível devido à distância de 0,5 mícron alcançada pelo método exclusivo de excitação ultrarrápida dos autores.

Os autores também propuseram um novo método de simulação quântica incluindo a força repulsiva entre partículas, como elétrons em materiais. A força repulsiva pode ser introduzida excitando os átomos nos estados de Rydberg na escala de nanossegundos, usando os lasers de pulso ultrarrápidos. Ao repetir isso rapidamente, a força repulsiva entre átomos presos na rede óptica é controlada arbitrariamente. Espera-se que este método realize uma nova simulação quântica envolvendo os estados de movimento de partículas com uma força repulsiva.

O grupo de pesquisa deste artigo também está atraindo interesse ao desenvolver um computador quântico de átomo frio ultrarrápido, que acelera uma operação de gate de dois qubits em duas ordens de magnitude dos computadores quânticos de átomo frio convencionais. O computador quântico de átomo frio ultrarrápido emprega os estados de Rydberg para implementar uma operação de gate de dois qubits, e o efeito do movimento atômico durante a interação é uma das principais razões para reduzir a fidelidade da operação.

Este artigo revelou experimentalmente o processo pelo qual o emaranhamento quântico entre estados eletrônicos e de movimento é gerado, o que representa um progresso importante para melhorar a fidelidade da operação do portão de dois qubits e para concretizar computadores quânticos socialmente úteis no futuro.