冷原子模拟器演示电子和运动状态之间的量子纠缠

分子科学研究所的研究人员在他们的超快量子模拟器中揭示了电子和运动状态之间的量子纠缠，这是由里德堡原子之间强相互作用产生的排斥力产生的。他们还提出了一种包括粒子间排斥力的新量子模拟方法。他们的研究成果于8 月 30 日发表在《物理评论快报》上。

被光阱捕获和组装的冷原子作为量子计算、量子模拟和量子传感等量子技术的平台引起了人们的关注。各个原子的量子态之间的关联称为量子纠缠，在量子技术中起着至关重要的作用。巨大的电子轨道称为里德堡态，用于在冷原子平台中产生量子纠缠。

本文作者对超快量子模拟器中的量子态进行了详细的研究，发现除了原子电子态之间的量子纠缠外，还发现由于里德堡态中原子间强排斥力形成了电子态与运动态之间的量子纠缠。

30万个铷原子通过激光冷却到100纳开尔文，装入光阱中形成光晶格，间距为0.5微米。然后，通过仅持续10皮秒的超短脉冲激光照射，产生5s轨道上的电子基态和29s巨型轨道上的电子里德堡态的量子叠加。

在以往的研究中，里德堡原子之间的距离被限制在5微米左右，这是因为里德堡原子会阻止周围原子激发到里德堡态，即所谓的里德堡阻塞效应。本文作者利用超短脉冲激光进行超快激发，从而避开了这种效应。

通过观察量子叠加态随时间的变化，作者发现在几纳秒的时间内，除了电子态之间的纠缠外，电子态与运动态之间也形成了量子纠缠，这可以理解为里德堡态中原子间由于相互作用非常强而产生的排斥力，从而引入了“原子是否处于里德堡态”与“原子是否运动”之间的关联。

这一现象仅当里德堡原子与光晶格中原子波函数的分布(60纳米)非常接近时才会出现，而这一现象的观测之所以能够实现，是因为作者利用独特的超快激发方法实现了0.5微米的距离。