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A metastable state in $\mathrm{Yb}^+$ with lifetime greater than 10 minutes

Este artículo reporta la medición directa de un tiempo de vida libre de colisiones de 17,8 minutos para el estado metaestable ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ en iones de $\mathrm{Yb}^+$ , junto con la identificación de una transición de repombeo de 701 nm y la caracterización del apagamiento por colisión, estableciendo la viabilidad del estado para la relojería atómica y el procesamiento de información cuántica.

Autores originales: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

Publicado 2026-09-10

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CC BY 4.0

Autores originales: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

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En el silencioso mundo de la física atómica, los científicos trabajan con los bloques de construcción más pequeños posibles de la materia: átomos individuales a los que se les ha despojado de un electrón, dejándolos como iones con carga positiva. Estos iones pueden ser capturados y mantenidos en su lugar, no por paredes físicas, sino por jaulas invisibles hechas de campos eléctricos y magnéticos. Una vez atrapados, pueden enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde dejan de vibrar y se vuelven perfectamente estáticos. Esta quietud permite a los investigadores sondear la estructura interna del átomo con una precisión increíble. Uno de los objetivos más importantes en este campo es encontrar estados del átomo que duren mucho tiempo sin cambiar. Estos se denominan estados metaestables. Piense en ellos como una pelota descansando en un valle profundo y estrecho; toma mucho tiempo para que la pelota ruede hacia afuera, lo que significa que el átomo permanece en esa condición específica durante minutos o incluso horas. Tales estados de larga duración son la base de los relojes más precisos del mundo y son esenciales para el futuro de la computación cuántica, donde la información debe almacenarse sin desvanecerse.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles, ha descubierto ahora un nuevo estado excepcionalmente duradero en el ion de iterbio, un átomo de metal pesado que se utiliza a menudo en estos experimentos. Al atrapar iones individuales y observarlos cuidadosamente, descubrieron que un estado excitado del ion de iterbio puede sobrevivir casi dieciocho minutos sin colapsar de nuevo a su estado normal. Este es un logro significativo porque la mayoría de los estados atómicos excitados desaparecen en una fracción de segundo. Los investigadores midieron este tiempo directamente, observando cuánto tiempo permaneció el ion en este estado especial antes de que una colisión aleatoria con una molécula de gas errante lo sacara de él. Incluso en su cámara de vacío, donde el aire es más tenue que la atmósfera de Marte, estas colisiones ocurren ocasionalmente. Al medir cómo cambiaba la duración a medida que ajustaban la presión, calcularon que, en un vacío perfecto, libre de colisiones, el ion permanecería en este estado durante 17,8 minutos. Esta duración es lo suficientemente larga como para ser útil para construir relojes atómicos avanzados o para almacenar información cuántica, lo que requiere que el delicado estado de un átomo se preserve durante períodos prolongados.

Para encontrar este estado, los científicos utilizaron un método ingenioso que involucra un pequeño cristal hecho de solo tres iones. Dispusieron estos iones en una línea y luego utilizaron campos eléctricos para crear una situación en la que el ion del medio pudiera situarse en una de dos posiciones estables, ligeramente por encima o por debajo de la línea central. Esta configuración actúa como un sensible medidor de presión. Cuando una molécula de gas errante golpea el cristal, le da al ion del medio un pequeño empujón, haciendo que salte, o "brinque", entre las dos posiciones. Al contar con qué frecuencia ocurrían estos saltos, el equipo pudo determinar exactamente cuántas moléculas de gas estaban presentes en la cámara en cualquier momento dado. Luego poblaron los iones con el estado especial de larga duración y observaron cuánto tiempo permanecía el ion allí antes de que una colisión lo obligara a salir. Cuanto más tiempo permanecía el ion, menos colisiones ocurrían, y más precisa era su medición de la vida útil natural del estado.

Los investigadores también resolvieron un problema práctico que suele afectar a los experimentos con estados de larga duración: cómo hacer que el átomo vuelva a la normalidad una vez finalizado el experimento. Si un átomo se queda atrapado en un estado de larga duración, deja de brillar, lo que lo hace invisible para los detectores utilizados para leer los resultados. El equipo identificó un color de láser específico, una luz roja profunda de 701 nanómetros, que podría actuar como un haz de "rescate". Este láser empuja suavemente al ion desde el estado de larga duración hacia un estado diferente de mayor energía que naturalmente cae de nuevo al ciclo de enfriamiento normal. Esto permite a los investigadores reiniciar rápidamente el experimento y leer los resultados sin perder el átomo. Midieron la frecuencia exacta de este láser de rescate para diferentes versiones del átomo de iterbio, confirmando que esta vía funciona de manera fiable.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de la medición del tiempo. El estado específico que el equipo estudió tiene una estructura interna compleja que podría utilizarse para proteger la información de los errores. En el mundo de la computación cuántica, la información es frágil y se corrompe fácilmente por el entorno. Sin embargo, ciertas estructuras atómicas pueden diseñarse para ser naturalmente resistentes a estos errores. El nuevo estado del ion de iterbio ofrece una plataforma grande y robusta para tal protección de errores, permitiendo potencialmente computadoras cuánticas más potentes y fiables. El equipo confirmó que este estado no tiene vías de decaimiento rápidas y ocultas que arruinarían su utilidad, lo que lo convierte en un candidato ideal para futuras tecnologías. Al demostrar que este estado puede durar casi dieciocho minutos y al mostrar cómo controlarlo con láseres, los investigadores han abierto una nueva puerta para el uso de iones de iterbio en la próxima generación de instrumentos de precisión y máquinas cuánticas.

Resumen Técnico: Estado Metaestable en Yb+ con una Vida Media Superior a 10 Minutos

Problema y Contexto
Los iones de iterbio atrapados (Yb+) sirven como plataformas versátiles para estándares de frecuencia óptica y procesamiento de información cuántica. Mientras que el estado $2F_{7/2}$ en isótopos impares ( $^{171}$ Yb+, $^{173}$ Yb+) alberga qubits metaestables, esfuerzos teóricos y experimentales recientes se han centrado en expandir el manifold de momento angular ( $J$ ) para implementar códigos avanzados de corrección de errores cuánticos (QEC). Estos códigos a menudo requieren estados de gran- $J$ ( $J > 3$ a $J > 10$ ) para aumentar la distancia del código y suprimir los errores lógicos. Sin embargo, muchos estados de alto- $J$ en Yb+ poseen vías de decaimiento de dipolo magnético (M1) que limitan su utilidad para el almacenamiento a largo plazo. El estado $3[11/2]^o_{9/2}$ (a 30,224 cm $^{-1}$ ) fue identificado como un candidato principal para un manifold de qubit adicional porque carece de vías de decaimiento M1 hacia otros estados acoplados $J$ - $K$ , ofreciendo teóricamente una vida media radiativa larga adecuada para memoria cuántica o relojería. Antes de este trabajo, se requería la verificación experimental directa de su vida media y el desarrollo de mecanismos de control prácticos (como el repump) para validar su utilidad.

Metodología
Los autores realizaron espectroscopía láser y mediciones de vida media en iones de Yb+ atrapados ( $^{171}$ Yb+, $^{172}$ Yb+, y $^{174}$ Yb+) en una trampa Paul de radiofrecuencia con un campo magnético de 4.00 G.

Preparación de Estados: Los iones se ciclaron entre el estado fundamental ( $2S_{1/2}$ ) y el estado metaestable $2F_{7/2}$ mediante la transición de cuadrupolo eléctrico (E2) $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ . La población fue luego transferida al estado objetivo $3[11/2]^o_{9/2}$ usando un láser resonante en la transición E2 $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ .
Medición de la Vida Media: La vida media libre de colisiones se determinó observando "saltos cuánticos" donde los iones regresaban del estado almacenado $3[11/2]^o_{9/2}$ al ciclo de enfriamiento. Para aislar la vida media radiativa del quenching colisional, los autores utilizaron un manómetro de cristal de Coulomb biestable. Un cristal de tres iones se configuró en un estado "zig-zag" con un quiebre, donde el ion central salta entre dos posiciones estables ("zig" y "zag") tras una colisión con gas de fondo. Al medir la tasa de salto ( $\Gamma_h$ ) como un proxy de la presión local y correlacionarla con el tiempo de permanencia observado en el estado metaestable, los autores extrapolaron la vida media libre de colisiones ( $\tau_0$ ) al límite de $\Gamma_h \to 0$ .
Repump y Espectroscopía: Para abordar la larga vida media del estado metaestable, los autores investigaron una vía de repump. Identificaron y accionaron la transición $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ a 701 nm. El estado excitado $3[7/2]^o_{5/2}$ decae mediante canales de dipolo eléctrico (E1) a los estados $2D_{3/2}$ y $2D_{5/2}$ , los cuales ya son repumpados eficientemente en el ciclo de enfriamiento estándar. También se mapeó la estructura hiperfina para $^{171}$ Yb+ para determinar los coeficientes hiperfinos $A$ .

Resultados Clave

Vida Media Radiativa: La vida media radiativa libre de colisiones del estado $3[11/2]^o_{9/2}$ se midió en 17.8(6) minutos. Este valor supera el umbral de 10 minutos requerido para muchas aplicaciones de información cuántica y es consistente con cálculos teóricos recientes (aunque el valor teórico citado es de 40.93 minutos, el límite inferior experimental es robusto).
Frecuencias de Transición: Los autores midieron las frecuencias de transición $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ para $^{172}$ Yb+ (263.985 96(2) THz) y $^{174}$ Yb+ (263.983 92(2) THz). Las frecuencias de la transición de repump $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ se midieron como 427.898 78(2) THz ( $^{172}$ Yb+) y 427.898 86(2) THz ( $^{174}$ Yb+).
Coeficientes Hiperfinos: El coeficiente hiperfino $A$ para el estado $3[11/2]^o_{9/2}$ en $^{171}$ Yb+ se determinó en 389(5) MHz. Para el estado $3[7/2]^o_{5/2}$ , el coeficiente se midió como −310(10) MHz.
Quenching Colisional: Utilizando el manómetro de cristal biestable, los autores observaron que el quenching colisional del manifold $3[11/2]^o_{9/2}$ por gas de fondo es más eficiente que para el estado $2F_{7/2}$ , pero la vida media a la presión base del aparato sigue superando los 10 minutos.

Significancia y Reclamaciones
El artículo establece el estado $3[11/2]^o_{9/2}$ como un manifold de qubit viable y de larga duración para iones de Yb+ atrapados. La vida media demostrada de casi 18 minutos es suficiente para su uso en relojería atómica y procesamiento de información cuántica. La identificación exitosa y la caracterización de la transición de repump a 701 nm proporcionan un mecanismo para la recuperación rápida de la población, lo cual es esencial para mediciones de no demolición cuántica (QND) de la subestructura dentro del manifold metaestable y para una lectura eficiente en aplicaciones de reloj o de qubit.

Los autores afirman que este trabajo permite la operación de un qubit hiperfino de vanguardia en $^{171}$ Yb+ con relativa facilidad de implementación, dada la accesible división hiperfina de radiofrecuencia (1.94(2) GHz) y su larga vida media. Además, el manifold $3[11/2]^o_{9/2}$ aumenta el esquema "omg" existente al proporcionar un manifold de qubit ópticamente aislado durante la operación activa. En isótopos pares, este manifold ofrece una plataforma para la codificación de tipo "spin-cat", donde los estados computacionales se definen en los estados de estiramiento (stretch states) ( $m_J = \pm 9/2$ ), permitiendo potencialmente la supresión de errores lógicos que escala exponencialmente con el momento angular. El trabajo valida el estado $3[11/2]^o_{9/2}$ como un recurso crítico para expandir las capacidades de los sistemas de iones atrapados en la medición de precisión y la corrección de errores cuánticos.

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