Chercheurs au CNRS, L'Université Paris-Saclay en France a récemment démontré le piégeage 3D d'atomes dans un état Rydberg à l'intérieur de pièges à faisceau optique holographiques. Leur démonstration, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait avoir des implications importantes pour la réalisation future de simulations quantiques.

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé des atomes refroidis par laser qui peuvent être manipulés un par un. La manipulation individuelle d'atomes refroidis par laser permet la création d'atomes artificiels, des systèmes entièrement contrôlés inspirés de la physique du solide, réaliser ce que l'on appelle une simulation quantique.

Les simulations quantiques peuvent être réalisées avec des plateformes expérimentales, y compris les ions piégés et les qubits supraconducteurs. L'approche adoptée par cette équipe de recherche implique l'utilisation d'atomes neutres piégés dans des pièges optiques microscopiques (i.e., pince à épiler optique), qui sont incités à interagir en les excitant à des niveaux atomiques hautement excités connus sous le nom d'états de Rydberg.

"Jusque là, pendant le court laps de temps où les atomes sont dans les états de Rydberg, nous avons dû éteindre les pincettes optiques car les atomes de Rydberg sont en fait repoussés par la lumière, " Thierry Lahaye, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Cela limite le temps pendant lequel les atomes peuvent être conservés dans les niveaux de Rydberg à quelques microsecondes, parce que les atomes s'envolent de la position de piégeage. Notre étude a permis de prolonger considérablement cette fois, en piégeant les atomes même lorsqu'ils sont dans un état Rydberg."

Comme les atomes de Rydberg sont repoussés par la lumière, Lahaye et ses collègues ont façonné leur faisceau laser de manière à ce qu'une région sombre entourée de lumière dans toutes les directions apparaisse exactement à l'endroit où chaque atome individuel était situé juste après qu'ils aient été excités au niveau de Rydberg. Ce soi-disant 'bottle-beam' a été créé à l'aide d'un élément diffractif connu sous le nom de modulateur spatial de lumière (SLM), qui peut être contrôlé à l'aide d'un ordinateur.

Cette procédure a permis aux chercheurs de prolonger le temps pendant lequel les atomes dans un état de Rydberg pouvaient être utilisés pour la simulation quantique. Alors que les faisceaux en bouteille ont déjà été utilisés dans plusieurs autres études de physique, c'est la première fois qu'ils ont été spécifiquement utilisés pour confiner des atomes individuels de Rydberg.

"Avec ce piégeage, le temps pendant lequel nous pouvions conserver nos atomes de Rydberg a été étendu à plusieurs centaines de microsecondes (typiquement une amélioration de 40 fois), seulement limité par la durée de vie naturelle des niveaux de Rydberg, " Lahaye a expliqué. " Une caractéristique importante du schéma est qu'il est compatible avec l'objectif de la simulation quantique, quelque chose que nous avons vérifié en piégeant simultanément deux atomes dans deux pièges différents et en mesurant s'ils interagissaient exactement de la même manière qu'ils le feraient en l'absence d'un piège, bien que pendant une période beaucoup plus longue, bien sûr."

À l'avenir, la méthode basée sur le faisceau de bouteilles utilisée par Lahaye et ses collègues pourrait s'avérer très utile à la fois dans les simulations quantiques et les opérations de logique quantique impliquant des atomes de Rydberg, améliorer leur précision dans la reproduction des systèmes physiques. Les chercheurs envisagent maintenant de mener d'autres études pour étudier les applications potentielles des pièges à faisceau de bouteilles.

« Une suite naturelle de ce travail serait d'aller au-delà de cette démonstration de principe et de créer de larges réseaux de tels pièges à bouteilles, avec beaucoup d'atomes, réaliser une véritable expérience de simulation quantique tout en bénéficiant du temps de piégeage prolongé, ", a déclaré Lahaye.

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