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圆形里德堡量子比特与内壳层激发的四极耦合。

Quadrupole Coupling of Circular Rydberg Qubits to Inner Shell Excitations.

作者信息

Wirth M, Hölzl C, Götzelmann A, Pultinevicius E, Meinert F

机构信息

5. Physikalisches Institut and Center for Integrated Quantum Science and Technology, <a href="https://ror.org/04vnq7t77">Universität Stuttgart</a>, Pfaffenwaldring 57, 70569 Stuttgart, Germany.

出版信息

Phys Rev Lett. 2024 Sep 20;133(12):123403. doi: 10.1103/PhysRevLett.133.123403.

DOI:10.1103/PhysRevLett.133.123403
PMID:39373413
Abstract

Divalent atoms provide excellent means for advancing control in Rydberg atom-based quantum simulation and computing due to the second optically active valence electron available. Particularly promising in this context are circular Rydberg atoms, for which long-lived ionic core excitations can be exploited without suffering from detrimental autoionization. Here, we report the implementation of electric quadrupole coupling between the metastable 4D_{3/2} level and a very high-n (n=79) circular Rydberg qubit, realized in doubly excited ^{88}Sr atoms prepared from an optical tweezer array. We measure the kHz-scale differential level shift on the circular Rydberg qubit via beat-node Ramsey interferometry comprising spin echo. Observing this coupling requires coherent interrogation of the Rydberg states for more than 100  μs, which is assisted by tweezer trapping and circular state lifetime enhancement in a black-body radiation suppressing capacitor. Further, we find no noticeable loss of qubit coherence under continuous photon scattering on the ion core, paving the way for laser cooling and imaging of Rydberg atoms. Our results demonstrate access to weak electron-electron interactions in Rydberg atoms and expand the quantum simulation toolbox for optical control of highly excited circular state qubits via ionic core manipulation.

摘要

由于存在第二个具有光学活性的价电子,二价原子为推进基于里德堡原子的量子模拟和计算中的控制提供了极佳手段。在这种情况下,圆里德堡原子特别有前景,对于它们,可以利用长寿命的离子芯激发而不会遭受有害的自电离。在此,我们报告了在由光镊阵列制备的双激发(^{88}Sr)原子中实现的亚稳态(4D_{3/2})能级与一个非常高(n)((n = 79))的圆里德堡量子比特之间的电四极耦合。我们通过包含自旋回波的拍节点拉姆齐干涉测量法测量了圆里德堡量子比特上的千赫兹级微分能级移动。观察到这种耦合需要对里德堡态进行超过(100,\mu s)的相干询问,这通过镊子捕获以及在抑制黑体辐射的电容器中增强圆态寿命来辅助实现。此外,我们发现在离子芯上连续光子散射的情况下量子比特相干性没有明显损失,这为里德堡原子的激光冷却和成像铺平了道路。我们的结果展示了对里德堡原子中弱电子 - 电子相互作用的访问,并通过离子芯操纵扩展了用于对高激发圆态量子比特进行光学控制的量子模拟工具箱。

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