圆形里德堡原子能在室温下保持稳定吗？

大角动量封住了最快的衰变通道

里德堡态是原子中被高度激发的电子轨道。在多数中性原子量子计算、模拟和传感工作所用的低角动量态中，激发电子会通过光学辐射和黑体辐射快速衰变，寿命约为100微秒。这个寿命为门保真度、相干时间和光谱精度设定了上限。

圆形里德堡态取的是相反的极限：轨道量子数和磁量子数都达到最大值，|m| = l = n − 1，其中 n 是主量子数。选择定则会强烈抑制这些态的自发光学衰变。剩下的威胁是黑体辐射；在早先的单原子单光子实验中，人们靠低温环境来应对它。本文要问的是，能否改在室温下消除这一威胁。

平行板电容器抑制有害的黑体模式

原子位于一个真空内电容器的中心，该电容器由两片透明玻璃板构成，玻璃板内侧镀有氧化铟锡，这种材料在微波波段反射率很高。当光子波长超过板间距的两倍，即 λ > 2d 时，与板平行的偏振模式在相关黑体跃迁处的模式密度会被抑制——其中就包括驱动相邻圆形态之间最强衰变的圆偏振光子。

板间距为 d = 10.5(2) 毫米时，预计在 n ≳ 78 出现抑制。作者报告黑体辐射引起的衰变被抑制了20倍以上，他们称这相当于自由空间中需要14 K环境才能获得的寿命。这一结构并不理想：额外的电极和导电部件会产生额外的共振模式，论文对这些偏离做了测量和建模，而不是直接套用简单的平行板模型。

微波阶梯把主量子数推到103

实验从单个囚禁的 88Sr 原子开始，先用光学激发和圆偏振射频驱动做绝热转移，把它制备到 |79C⟩ 圆形态。此后，一系列双光子微波跃迁以步长为2提高 n，每一步都用绝热朗道-齐纳扫频穿过共振。最多12个后续微波脉冲把圆形态从 n = 79 连接到 n = 103，轨道直径约1.1微米。

要达到这些态，需要把目标圆形态到圆形态的跃迁与附近到椭圆态的跃迁分开。两者的二次斯塔克频移不同，因此扫频在几 V cm⁻¹ 的电场下进行，并避开强得多的单光子共振。单个朗道-齐纳步骤的平均保真度为94%，相干转移到 n = 101 约需400微秒——这已经长于所用最低圆形态的自由空间寿命。

n 超过95后寿命突破10毫秒

测量寿命的方法是让原子保持不同时间，然后用态选择场电离读出它处于哪个 n 流形。仅对初始态做简单指数拟合并不够，因为布居会通过次级跃迁回到初始流形；作者改为对各个 n 流形拟合速率方程模型。

随着最强的圆偏振黑体跃迁被抑制，测得的寿命在 n ≈ 80 附近急剧上升，在 n = 85 附近达到约5毫秒。n ≈ 90 附近出现一个低谷，作者将其归因于 π 偏振模式：板边界不抑制这些模式，而环形电极在某些频率上还会增强它们。n = 95 以上，寿命超过10毫秒；对 |101C⟩ 测得 11.5(8) 毫秒，约为自由空间寿命545微秒的21倍。作者指出，这比此前 n = 60 的室温结果高一个数量级，也比低温环境中获得的寿命高出三倍。

光镊囚禁时间超过态寿命

长寿命只有在原子留在阱中时才有用。标准高斯光镊通常会因里德堡电子受到的排斥性有质动力而把里德堡原子排出。这里，碱土金属锶的离子实提供了足够强的吸引势，能束缚圆形态；而且当电子衰变到其他里德堡能级时，囚禁仍然有效。

对初始制备在 |97C⟩ 的原子，对总探测离子信号做指数拟合得到 1/e 囚禁寿命为 133(6) 毫秒，比初始态寿命长约一个数量级。关闭光镊后，信号在1毫秒内消失。作者称这一囚禁时间只是下限，因为所选电离斜坡探测不到 n = 104 以上的里德堡态，也探测不到衰变到角动量显著更低的态。

相干时间而非寿命成为限制尺度

论文明确指出，寿命还不等于可用的相干时间。在这套装置中，技术来源——具体是磁场噪声和电场不均匀性——目前把圆形态量子比特的 T2 相干时间限制在100微秒量级。作者提出主动反馈、仔细抵消梯度、对离子实做激光冷却以及动力学解耦，作为把相干时间提升到圆形态寿命量级的途径。

真正有意义的比较对象是此前在 n ≈ 50 实现的圆形态相互作用控制。把工作点提高到本文展示的高 n，会带来约一千倍更强的范德瓦尔斯阻塞和十倍以上的偶极交换耦合。正是这些相互作用强度能让更长的寿命在模拟中发挥作用，但前提是所述的技术退相干限制得到解决。

室温结论依赖于抑制结构

寿命提升是原子处在这一特定电极结构内部时的性质，而不是自由空间中圆形里德堡原子的性质。实测曲线与有限反射率的理想无限大电容器趋势一致，包括 n ≈ 80 和 n ≳ 95 附近的提升台阶；但 n ≈ 90 附近的低谷只有在用有限元方法模拟完整电极几何时才会出现。作者采用氧化铟锡反射率 96(+1/−2)% 和板间距 10.5(2) 毫米，模型阴影带反映了这些不确定度。

因此，抑制黑体辐射的结构设计本身就是结果的一部分。额外的腔模可能增强电容器本应抑制的那些跃迁，所以不同的电极布局会产生不同的寿命曲线。已展示的范围还受态制备阶梯的限制：相干控制只展示到 n = 103，最后的 101→103 跃迁仅做了光谱探测。

关键是把 T2 推向寿命量级

对于在圆形里德堡原子与传统低角动量里德堡阵列之间做取舍的读者，决定性的数字不只是10毫秒的寿命本身，而是它与目前由技术噪声决定的100微秒相干时间之间的差距。论文自己的优先级排序正来自这一差距：寿命障碍已被推远两个数量级，下一步是通过场噪声控制和离子实冷却把 T2 提升到毫秒量级。

高 n 工作点还带来数据中可见的取舍。超过 n = 95 能换来10毫秒以上的寿命和强得多的相互作用，但需要更长的微波阶梯——到达 n = 101 约需400微秒——而且正好处在残余 π 偏振腔模造成 n ≈ 90 附近寿命低谷的区域。因此，选择工作 n 意味着在寿命、相互作用强度和抑制电容器的具体模式结构之间权衡，而不是简单地最大化 n。

本文引用的文献