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Rydberg-Atome für Quantencomputer brechen drei Weltrekorde
Besonders hoch angeregte Strontiumatome lassen sich bei Raumtemperatur deutlich länger in einem zirkularen Rydberg-Zustand halten als bisher. Stuttgarter Physiker haben eine Zustandslebensdauer von 11,5 Millisekunden gemessen, Elektronenorbitale bis 1,1 Mikrometer Durchmesser kontrolliert und die Atome 133 Millisekunden in optischen Pinzetten gespeichert. Für längere Quantenrechnungen muss allerdings auch ihre Kohärenzzeit steigen.
Stuttgart (Deutschland). Rydberg-Atome besitzen ein Elektron in einem sehr hoch angeregten Zustand, dessen Aufenthaltsbereich weit über den eines gewöhnlichen Atoms hinausreicht. Solche Zustände vermitteln starke Wechselwirkungen zwischen neutralen Atomen und sind deshalb für Quantensimulatoren und Quantencomputer interessant. Ihre kurze Lebensdauer begrenzt bislang jedoch, wie lange sich diese Wechselwirkungen nutzen lassen.
Zirkulare Rydberg-Zustände sollen dieses Problem entschärfen. Ihr Elektron besitzt den größtmöglichen Bahndrehimpuls, wodurch viele Zerfallswege durch quantenmechanische Auswahlregeln blockiert sind. Bei Raumtemperatur bleibt allerdings die Wärmestrahlung der Umgebung als Störquelle. Ihre Mikrowellen können das Elektron in benachbarte Zustände anregen und den langlebigen Zustand dadurch vorzeitig zerstören.
Forscher der Universität Stuttgart um Dr. Florian Meinert haben nun einzelne Strontium-88-Atome in optischen Pinzetten untersucht. Das Team präparierte zunächst einen zirkularen Rydberg-Zustand mit der Hauptquantenzahl 79 und koppelte ihn anschließend mit Mikrowellen schrittweise bis zu Zuständen mit n = 103. Dabei erreichten die Elektronenorbitale einen Durchmesser von rund 1,1 Mikrometern.
Für den Zustand mit n = 101 ermittelten die Physiker eine Lebensdauer von 11,5 ± 0,8 Millisekunden. Im freien Raum wären bei Raumtemperatur nur rund 545 Mikrosekunden zu erwarten. Der beobachtete Zustand bleibt damit etwa 21-mal länger erhalten. Die Autoren bezeichnen diese Zustände als die bislang langlebigsten im Labor erzeugten Rydberg-Zustände.
„Wir konnten gleich drei internationale Bestmarken aufstellen: die längste bisher gemessene Lebensdauer einzelner Rydberg-Atome, die größten kontrollierten zirkularen Rydberg-Atome und die längste Speicherung solcher Atome in einer optischen Pinzette“, erklärt Dr. Florian Meinert.
Den entscheidenden Schutz erzeugt eine spezielle Elektrodenstruktur. Die Atome befinden sich zwischen transparenten, elektrisch leitfähigen Glasplatten, die die Dichte bestimmter Mikrowellenmoden am Ort der Atome verändern. Dadurch wird der durch Schwarzkörperstrahlung ausgelöste Zerfall stark unterdrückt. Die gemessene Lebensdauer entspräche im freien Raum einer Umgebung von etwa 14 Kelvin, obwohl die Apparatur bei Raumtemperatur arbeitet.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass extrem langlebige Rydberg-Atome auch bei Raumtemperatur möglich sind. Wir haben eine bekannte physikalische Idee so weit perfektioniert, dass sie für moderne Quantenplattformen nutzbar wird“, erklärt Florian Meinert.
Zusätzlich bestimmte das Team eine 1/e-Speicherzeit von 133 ± 6 Millisekunden für die präparierten Rydberg-Atome in der optischen Pinzette. Dieser Wert beschreibt die Speicherung im Fangpotential und ist nicht mit der Lebensdauer eines bestimmten elektronischen Zustands gleichzusetzen. Die Forscher werten ihn zudem als Untergrenze, weil ihr Nachweis nicht alle Zustände erfasst, in die ein Atom während der Speicherung übergehen kann.
Die Rekorde beseitigen deshalb noch nicht alle Grenzen für Quantenrechnungen. In der aktuellen Apparatur liegt die Kohärenzzeit T₂ der zirkularen Zustände wegen technischer Störungen durch Magnetfeldrauschen und elektrische Feldinhomogenitäten noch auf der Größenordnung von 100 Mikrosekunden. Um die mehr als zehn Millisekunden lange Zustandslebensdauer für Quantensimulationen vollständig auszunutzen, müsste auch T₂ in den Millisekundenbereich steigen.