atomes de Rydberg, qui sont des atomes dans un état hautement excité, ont plusieurs propriétés uniques et avantageuses, y compris une durée de vie particulièrement longue et de grandes sensibilités aux champs extérieurs. Ces propriétés les rendent précieux pour une variété d'applications, par exemple pour le développement des technologies quantiques.

Pour que les atomes de Rydberg soient utilisés efficacement dans la technologie quantique, cependant, les chercheurs doivent d'abord pouvoir les piéger. Alors qu'un certain nombre d'études ont démontré le piégeage des atomes de Rydberg à l'aide d'atomes magnétiques, électrique, ou la technologie laser, les temps de piégeage obtenus jusqu'à présent ont été relativement courts, généralement autour de 100μs.

Des chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel (LKB) ont récemment obtenu un temps de piégeage laser 2D plus long d'atomes de Rydberg circulaires allant jusqu'à 10 ms. La méthode qu'ils employaient, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour le développement de la technologie quantique.

"Notre groupe de recherche au LKB est l'un des rares au monde à pouvoir préparer et manipuler des niveaux circulaires d'atomes de Rydberg, " Clément Sayrin, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Notre groupe a en fait une longue expérience de travail avec des atomes circulaires de Rydberg, qui remonte aux années 1970/1980 et au travail de Serge Haroche. Une part importante de nos activités de recherche est désormais consacrée à l'utilisation de ces atomes dans les technologies quantiques."

La plupart des simulateurs quantiques utilisant des atomes de Rydberg développés à ce jour utilisent des atomes de Rydberg non circulaires. Ces technologies ont d'abord été mises au point par un groupe de recherche de l'Institut d'Optique Graduate School (IOGS) de Palaiseau, animé par Antoine Browaeys et Thierry Lahaye, ainsi que par une équipe de Harvard dirigée par Mikhail Lukin.

Bien que ces simulateurs aient obtenu des résultats remarquables, leurs capacités ont été limitées par le fait que les atomes de Rydberg à l'intérieur n'étaient pas piégés et ont donc continué à se déplacer pendant que le système fonctionnait. La nouvelle étude menée par Sayrin, Michel Brune (directeur de recherche), Rodrigo Cortiñas (doctorant), Maxime Favier (post-doctorant) et d'autres chercheurs du LKB présentent une solution à ce problème qui implique l'utilisation d'atomes de Rydberg circulaires (i.e., atomes dans les états circulaires de Rydberg) et une technique connue sous le nom de piégeage laser.

"Quand un atome est excité à un niveau de Rydberg circulaire, il peut être assez décrit comme un électron qui orbite loin du noyau sur une orbite circulaire, une orbite presque aussi grande qu'une bactérie, " expliqua Sayrin. " Par conséquent, l'électron est presque libre et les électrons libres, comme toute particule chargée, sont repoussés par des champs lumineux intenses."

Les chercheurs ont essentiellement tiré parti du fait que les atomes circulaires de Rydberg sont repoussés par une lumière intense pour piéger les atomes. Pour y parvenir, ils ont produit un faisceau lumineux en forme de beignet, plus précisément un faisceau laser rond avec une tache sombre en son centre, où les atomes seraient finalement piégés.

"Si un électron est au centre du beignet, il ne peut pas s'en échapper :il est piégé dans le faisceau lumineux, " expliqua Sayrin. " Le noyau lourd ne fait alors que suivre, attiré par l'électron via l'interaction de Coulomb ! En quelque sorte, nous piégeons l'atome circulaire de Rydberg en le saisissant par son électron."

Sayrin et ses collègues ont produit le faisceau en forme de beignet à l'aide d'un outil appelé modulateur spatial de lumière (SLM). Les SLM sont des objets qui peuvent imprimer des motifs de phase sur les faisceaux lumineux, qui à son tour modifie la forme de ces poutres. Ces outils uniques étaient autrefois largement utilisés dans les vidéoprojecteurs pour refléter des images ou des vidéos sur des surfaces.

"En quelque sorte, nous avons fabriqué notre propre vidéoprojecteur pour produire le faisceau de beignets, mais au lieu d'une ampoule comme source, nous avons un laser infrarouge puissant, et au lieu d'un écran nous projetons l'image sur les atomes de Rydberg, " dit Sayrine.

Jusque là, les chercheurs du monde entier n'ont pu démontrer que les premières signatures du piégeage laser d'atomes non circulaires, qui n'a pas duré plus de quelques microsecondes. Atomes de Rydberg circulaires, d'autre part, n'avait jamais été piégé au laser auparavant.

L'étude récente de Sayrin et de ses collègues montre que les atomes circulaires de Rydberg peuvent, En réalité, être piégés au laser et pour des durées remarquablement plus longues. Jusque là, les chercheurs ont pu piéger ces atomes pendant environ 10 millisecondes, pourtant, ce temps de piégeage pourrait être encore augmenté dans des études futures.

"Nous avons également montré que le piégeage des atomes circulaires de Rydberg n'affecte pas leurs propriétés (par exemple, durée de vie, pureté, et cohérence quantique), " dit Sayrin. " En particulier, cela confirme le fait que les atomes de Rydberg circulaires sont immunisés contre la photo-ionisation, contrairement aux autres niveaux Rydberg."

Les résultats pourraient avoir de nombreuses implications importantes pour le développement des technologies quantiques, incluant des outils de simulation quantique, sentir, et le traitement de l'information. En réalité, maintenant efficacement les atomes de Rydberg circulaires en place pendant que les systèmes quantiques fonctionnent, comme le démontre leur étude, signifie que ces atomes pourraient être utilisés plus longtemps. Cela peut à terme booster les performances de différentes technologies quantiques, par exemple l'amélioration de la sensibilité des capteurs, augmenter le temps de simulation des simulateurs, etc.

Sayrin et ses collègues envisagent maintenant de réaliser un réseau d'atomes de Rydberg circulaires piégés au laser. Pour y parvenir, ils prépareront une rangée de pincettes optiques avec un trou en son centre, une structure connue sous le nom de « piège à bouteille ».

"En piégeant un et un seul atome de Rydberg circulaire dans chaque bouteille, séparés de quelques microns, nous allons produire un réseau régulier d'atomes circulaires de Rydberg en interaction, " a expliqué Sayrin. " Cela réalisera un simulateur quantique de spins en interaction qui devrait nous permettre d'exécuter des simulations sur des échelles de temps sans précédent. "

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