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| Una imagen artística de átomos circulares de Rydberg atrapados con láser. Crédito: Clément Sayrin, LKB. |
Los átomos de Rydberg, que son átomos en un estado altamente excitado, tienen varias propiedades únicas y ventajosas, que incluyen una vida útil particularmente larga y grandes sensibilidades a los campos externos. Estas propiedades los hacen valiosos para una variedad de aplicaciones, por ejemplo para el desarrollo de tecnologías cuánticas.
Sin embargo, para que los átomos de Rydberg se utilicen eficazmente en la tecnología cuántica, los investigadores primero deben poder atraparlos. Si bien varios estudios han demostrado la captura de átomos de Rydberg utilizando tecnología magnética, eléctrica o láser, los tiempos de captura logrados hasta ahora han sido relativamente cortos, generalmente alrededor de 100 μs.
Los investigadores del Laboratoire Kastler Brossel (LKB) han logrado recientemente un mayor tiempo de captura con láser 2D de átomos circulares de Rydberg de hasta 10 ms. El método que emplearon, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, podría abrir nuevas y emocionantes posibilidades para el desarrollo de la tecnología cuántica.
"Nuestro grupo de investigación en LKB es uno de los pocos en el mundo que puede preparar y manipular los niveles circulares de átomos de Rydberg", dijo a Phys.org Clément Sayrin, uno de los investigadores que realizó el estudio. "Nuestro grupo tiene una larga experiencia en el trabajo con átomos circulares de Rydberg, que se remontan a los años 1970/80 y al trabajo de Serge Haroche. Una parte importante de nuestras actividades de investigación ahora se dedica al uso de estos átomos en tecnologías cuánticas".
La mayoría de los simuladores cuánticos que emplean átomos de Rydberg desarrollados hasta la fecha usan átomos de Rydberg no circulares. Estas tecnologías fueron pioneras por primera vez por un grupo de investigación en el Institut d'Optique Graduate School (IOGS) en Palaiseau, dirigido por Antoine Browaeys y Thierry Lahaye, así como por un equipo en Harvard dirigido por Mikhail Lukin.
Si bien estos simuladores han logrado resultados notables, sus capacidades se han visto limitadas por el hecho de que los átomos de Rydberg dentro de ellos no quedaron atrapados y, por lo tanto, continuaron moviéndose mientras el sistema funcionaba. El nuevo estudio realizado por Sayrin, Michel Brune (director de investigación), Rodrigo Cortiñas (estudiante de doctorado), Maxime Favier (estudiante postdoctoral) y otros investigadores de LKB presenta una solución a este problema que implica el uso de circular Atomos de Rydberg (es decir, átomos en estados circulares de Rydberg) y una técnica conocida como atrapamiento láser.
"Cuando un átomo se excita a un nivel circular de Rydberg, puede describirse de manera justa como un electrón que orbita lejos del núcleo en una órbita circular, una órbita casi tan grande como una bacteria", explicó Sayrin. "Por lo tanto, el electrón es casi libre y los electrones libres, como cualquier partícula cargada, son repelidos por campos de luz intensos".
Los investigadores esencialmente aprovecharon el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son repelidos por la luz intensa para atrapar los átomos. Para lograr esto, produjeron un haz de luz en forma de rosquilla, más específicamente un rayo láser redondo con una mancha oscura en el centro, donde los átomos quedarían atrapados.
"Si un electrón está en el centro de la dona, no puede escapar de él: está atrapado en el haz de luz", explicó Sayrin. "¡Entonces el núcleo pesado simplemente sigue, atraído por el electrón a través de la interacción de Coulomb! De alguna manera, atrapamos el átomo circular de Rydberg agarrándolo por su electrón".
Sayrin y sus colegas produjeron el haz en forma de rosquilla utilizando una herramienta conocida como modulador de luz espacial (SLM). Los SLM son objetos que pueden imprimir patrones de fase en haces de luz, lo que a su vez modifica la forma de estos haces. Estas herramientas únicas alguna vez fueron ampliamente utilizadas en proyectores de video para reflejar imágenes o videos en superficies.
"De alguna manera, hemos creado nuestro propio proyector de video para producir el haz de rosquilla, pero en lugar de una bombilla como fuente, tenemos un potente láser infrarrojo, y en lugar de una pantalla, proyectamos la imagen en los átomos de Rydberg", dijo Sayrin.
Hasta ahora, los investigadores de todo el mundo solo han podido demostrar las primeras firmas de la captura con láser de átomos no circulares, que no duró más de unos pocos microsegundos. Los átomos circulares de Rydberg, por otro lado, nunca habían sido atrapados con láser antes.
El estudio reciente de Sayrin y sus colegas muestra que los átomos circulares de Rydberg pueden, de hecho, quedar atrapados con láser y tener escalas de tiempo notablemente más largas. Hasta ahora, los investigadores pudieron atrapar estos átomos durante aproximadamente 10 milisegundos, sin embargo, este tiempo de captura podría aumentar aún más en futuros estudios.
"También hemos demostrado que atrapar los átomos circulares de Rydberg no afecta sus propiedades (por ejemplo, vida útil, pureza y coherencia cuántica)", dijo Sayrin. "En particular, confirma el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son inmunes a la fotoionización, a diferencia de otros niveles de Rydberg".
Los resultados podrían tener numerosas implicaciones importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluidas las herramientas para la simulación cuántica, la detección y el procesamiento de la información. De hecho, mantener efectivamente los átomos circulares de Rydberg en su lugar mientras los sistemas cuánticos están operando, como se demostró en su estudio, significa que estos átomos podrían usarse por más tiempo. En última instancia, esto puede aumentar el rendimiento de diferentes tecnologías cuánticas, por ejemplo, mejorar la sensibilidad de los sensores, aumentar el tiempo de simulación de los simuladores, etc.
Sayrin y sus colegas ahora planean realizar una serie de átomos de Rydberg circulares atrapados con láser. Para lograr esto, prepararán una serie de pinzas ópticas con un agujero en su centro, una estructura conocida como 'trampa de haz de botella'.
"Al atrapar uno y solo un átomo circular de Rydberg en cada botella, separados por unas pocas micras, produciremos una serie regular de átomos circulares interactivos de Rydberg", explicó Sayrin. "Esto generará un simulador cuántico de giros interactivos que debería permitirnos ejecutar simulaciones en escalas de tiempo sin precedentes".
Sin embargo, para que los átomos de Rydberg se utilicen eficazmente en la tecnología cuántica, los investigadores primero deben poder atraparlos. Si bien varios estudios han demostrado la captura de átomos de Rydberg utilizando tecnología magnética, eléctrica o láser, los tiempos de captura logrados hasta ahora han sido relativamente cortos, generalmente alrededor de 100 μs.
Los investigadores del Laboratoire Kastler Brossel (LKB) han logrado recientemente un mayor tiempo de captura con láser 2D de átomos circulares de Rydberg de hasta 10 ms. El método que emplearon, descrito en un artículo publicado en Physical Review Letters, podría abrir nuevas y emocionantes posibilidades para el desarrollo de la tecnología cuántica.
"Nuestro grupo de investigación en LKB es uno de los pocos en el mundo que puede preparar y manipular los niveles circulares de átomos de Rydberg", dijo a Phys.org Clément Sayrin, uno de los investigadores que realizó el estudio. "Nuestro grupo tiene una larga experiencia en el trabajo con átomos circulares de Rydberg, que se remontan a los años 1970/80 y al trabajo de Serge Haroche. Una parte importante de nuestras actividades de investigación ahora se dedica al uso de estos átomos en tecnologías cuánticas".
La mayoría de los simuladores cuánticos que emplean átomos de Rydberg desarrollados hasta la fecha usan átomos de Rydberg no circulares. Estas tecnologías fueron pioneras por primera vez por un grupo de investigación en el Institut d'Optique Graduate School (IOGS) en Palaiseau, dirigido por Antoine Browaeys y Thierry Lahaye, así como por un equipo en Harvard dirigido por Mikhail Lukin.
Si bien estos simuladores han logrado resultados notables, sus capacidades se han visto limitadas por el hecho de que los átomos de Rydberg dentro de ellos no quedaron atrapados y, por lo tanto, continuaron moviéndose mientras el sistema funcionaba. El nuevo estudio realizado por Sayrin, Michel Brune (director de investigación), Rodrigo Cortiñas (estudiante de doctorado), Maxime Favier (estudiante postdoctoral) y otros investigadores de LKB presenta una solución a este problema que implica el uso de circular Atomos de Rydberg (es decir, átomos en estados circulares de Rydberg) y una técnica conocida como atrapamiento láser.
"Cuando un átomo se excita a un nivel circular de Rydberg, puede describirse de manera justa como un electrón que orbita lejos del núcleo en una órbita circular, una órbita casi tan grande como una bacteria", explicó Sayrin. "Por lo tanto, el electrón es casi libre y los electrones libres, como cualquier partícula cargada, son repelidos por campos de luz intensos".
Los investigadores esencialmente aprovecharon el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son repelidos por la luz intensa para atrapar los átomos. Para lograr esto, produjeron un haz de luz en forma de rosquilla, más específicamente un rayo láser redondo con una mancha oscura en el centro, donde los átomos quedarían atrapados.
"Si un electrón está en el centro de la dona, no puede escapar de él: está atrapado en el haz de luz", explicó Sayrin. "¡Entonces el núcleo pesado simplemente sigue, atraído por el electrón a través de la interacción de Coulomb! De alguna manera, atrapamos el átomo circular de Rydberg agarrándolo por su electrón".
Sayrin y sus colegas produjeron el haz en forma de rosquilla utilizando una herramienta conocida como modulador de luz espacial (SLM). Los SLM son objetos que pueden imprimir patrones de fase en haces de luz, lo que a su vez modifica la forma de estos haces. Estas herramientas únicas alguna vez fueron ampliamente utilizadas en proyectores de video para reflejar imágenes o videos en superficies.
"De alguna manera, hemos creado nuestro propio proyector de video para producir el haz de rosquilla, pero en lugar de una bombilla como fuente, tenemos un potente láser infrarrojo, y en lugar de una pantalla, proyectamos la imagen en los átomos de Rydberg", dijo Sayrin.
Hasta ahora, los investigadores de todo el mundo solo han podido demostrar las primeras firmas de la captura con láser de átomos no circulares, que no duró más de unos pocos microsegundos. Los átomos circulares de Rydberg, por otro lado, nunca habían sido atrapados con láser antes.
El estudio reciente de Sayrin y sus colegas muestra que los átomos circulares de Rydberg pueden, de hecho, quedar atrapados con láser y tener escalas de tiempo notablemente más largas. Hasta ahora, los investigadores pudieron atrapar estos átomos durante aproximadamente 10 milisegundos, sin embargo, este tiempo de captura podría aumentar aún más en futuros estudios.
"También hemos demostrado que atrapar los átomos circulares de Rydberg no afecta sus propiedades (por ejemplo, vida útil, pureza y coherencia cuántica)", dijo Sayrin. "En particular, confirma el hecho de que los átomos circulares de Rydberg son inmunes a la fotoionización, a diferencia de otros niveles de Rydberg".
Los resultados podrían tener numerosas implicaciones importantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas, incluidas las herramientas para la simulación cuántica, la detección y el procesamiento de la información. De hecho, mantener efectivamente los átomos circulares de Rydberg en su lugar mientras los sistemas cuánticos están operando, como se demostró en su estudio, significa que estos átomos podrían usarse por más tiempo. En última instancia, esto puede aumentar el rendimiento de diferentes tecnologías cuánticas, por ejemplo, mejorar la sensibilidad de los sensores, aumentar el tiempo de simulación de los simuladores, etc.
Sayrin y sus colegas ahora planean realizar una serie de átomos de Rydberg circulares atrapados con láser. Para lograr esto, prepararán una serie de pinzas ópticas con un agujero en su centro, una estructura conocida como 'trampa de haz de botella'.
"Al atrapar uno y solo un átomo circular de Rydberg en cada botella, separados por unas pocas micras, produciremos una serie regular de átomos circulares interactivos de Rydberg", explicó Sayrin. "Esto generará un simulador cuántico de giros interactivos que debería permitirnos ejecutar simulaciones en escalas de tiempo sin precedentes".
Más información: RG Cortiñas et al. Captura con láser de átomos circulares de Rydberg, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.123201
