物理学家利用电子制造“合成维度”莱斯 大学赖斯的物理学家通过强迫它们进入里德堡状态，在原子中创造了合成维度，超大电子的轨道，使原子比正常大数千倍。研究人员应用微波来耦合相邻的能级，并控制电子如何通过慢速（粗线）和快速（细线）势垒来创建尺寸，旨在模拟所示分子中的运动。他们预计这种现象将成为量子模拟的重要工具。学分：Soumya Kanungo我们的空间感并没有超出我们熟悉的三个维度，但这并不能阻止科学家们玩弄超越的任何东西。莱斯大学的物理学家正在推动新实验的空间界限。他们已经学会了以如此精确的方式控制巨大的里德堡原子中的电子，从而可以创建“合成维度”，这是量子模拟的重要工具。

赖斯团队开发了一种技术，通过应用共振微波电场将许多状态耦合在一起来设计超冷锶原子的里德堡状态。当原子中的一个电子被高能激发到高激发态时，就会出现里德伯态，使其轨道超大，使原子比正常大数千倍。

超冷里德堡原子比绝对零高约百万分之一度。通过精确灵活地操纵电子运动，莱斯量子计划研究人员以模拟真实材料方面的方式耦合了晶格状的里德堡能级。这些技术还可以帮助实现在真实三维空间中无法实现的系统，为量子研究创造一个强大的新平台。

该倡议的所有成员水稻物理学家 Tom Killian、Barry Dunning 和 Kaden Hazzard 与主要作者和研究生 Soumya Kanungo 在Nature Communications上发表的一篇论文中详细介绍了这项研究。该研究建立在 Killian 和 Dunning 于 2018 年首次探索的里德堡原子的先前工作的基础上。

里德堡原子拥有许多规则间隔的量子能级，这些能级可以通过微波耦合，从而使高度激发的电子从一个能级移动到另一个能级。这个“合成维度”中的动力学在数学上相当于一个粒子在真实晶体的晶格位置之间移动。

“在一个典型的高中物理实验中，人们可以看到原子的发光线对应于从一个能级到另一个能级的跃迁，”物理学和天文学副教授 Hazzard 说，他在之前的几次研究中为这项研究奠定了理论基础。文件。“人们甚至可以用非常原始的光谱仪看到这一点：棱镜！“这里的新奇之处在于，我们将每一层都视为太空中的一个位置，”他说。“通过发送不同波长的光，我们可以耦合水平。我们可以使水平看起来像在空间位置之间移动的粒子。

“这对于光或纳米波长的电磁辐射很难做到，但我们正在使用毫米波长，这使得在技术上更容易产生耦合，”哈扎德说。

“我们可以建立相互作用、粒子移动的方式，并捕获一个更复杂系统的所有重要物理学，”赖斯物理学和天文学教授、威斯自然科学学院院长基利安说。

“真正令人兴奋的是，当我们将多个里德堡原子结合在一起，在这个合成空间中创造出相互作用的粒子时，”他说。“有了这个，我们将能够做我们无法在经典计算机上模拟的物理，因为它会很快变得复杂。”

研究人员通过实现称为 Su-Schrieffer-Heeger 系统的一维晶格来展示他们的技术。为了做到这一点，他们使用激光冷却锶原子，并应用具有交替弱耦合和强耦合的微波来创造适当的合成景观。第二组激光用于将原子激发到耦合的高位里德堡态的流形。

Killian 说，该实验揭示了粒子如何穿过一维晶格，或者在某些情况下，即使它们有足够的能量移动，它们也会在边缘冻结。这与可以用拓扑描述的材料特性有关。

“当使用毫米波耦合里德堡原子态时，控制耦合幅度要容易得多，”卡农戈说。“当我们实现一维晶格时，所有耦合都到位，我们可以尝试看看将里德堡电子激发到那个合成空间会产生什么样的动力学。”

“使用量子模拟器有点像使用风洞来隔离汽车或飞机更复杂的空气动力学中你关心的小而重要的影响，”基利安说。“当系统由量子力学控制时，这一点变得很重要，一旦你得到超过几个粒子和几个自由度，描述正在发生的事情就变得复杂了。

他说：“量子模拟器是人们认为很容易实现的成果之一，它是量子信息科学投资的早期有用工具，”他指出，该实验结合了现在在研究原子的实验室中相当标准的技术物理。

“所有的技术都是成熟的，”他说。“你甚至可以想象这几乎变成了一个人们可以使用的黑匣子实验，因为各个部分都非常坚固。”