🔬 atomic physics

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

Cet article rapporte la mesure directe d'une durée de vie sans collision de 17,8 minutes pour l'état métastable ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ des ions $\mathrm{Yb}^+$ , ainsi que l'identification d'une transition de repompage à 701 nm et la caractérisation de l'extinction collisionnelle, établissant la viabilité de cet état pour l'horlogerie atomique et le traitement de l'information quantique.

Auteurs originaux : Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

Publié 2026-09-10

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

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Dans le monde silencieux de la physique atomique, les scientifiques travaillent avec les plus petits blocs de construction possibles de la matière : des atomes uniques dépouillés d'un électron, les laissant sous forme d'ions chargés positivement. Ces ions peuvent être capturés et maintenus en place non pas par des parois physiques, mais par des cages invisibles faites de champs électriques et magnétiques. Une fois piégés, ils peuvent être refroidis à des températures proches du zéro absolu, où ils cessent de s'agiter pour devenir parfaitement immobiles. Cette immobilité permet aux chercheurs de sonder la structure interne de l'atome avec une précision incroyable. L'un des objectifs les plus importants dans ce domaine est de trouver des états de l'atome qui durent très longtemps sans changer. On les appelle des états métastables. Imaginez-les comme une balle reposant dans une vallée profonde et étroite ; il faut beaucoup de temps pour que la balle en sorte, ce qui signifie que l'atome reste dans cette condition spécifique pendant des minutes ou même des heures. De tels états de longue durée sont le fondement des horloges les plus précises au monde et sont essentiels pour l'avenir de l'informatique quantique, où l'information doit être stockée sans s'estomper.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles a maintenant découvert un nouvel état exceptionnellement durable dans l'ion ytterbium, un métal lourd souvent utilisé dans ces expériences. En piégeant des ions uniques et en les observant attentivement, ils ont découvert qu'un état excité de l'ion ytterbium peut survivre pendant près de dix-huit minutes sans s'effondrer pour revenir à son état normal. C'est une avancée significative car la plupart des états atomiques excités disparaissent en une fraction de seconde. Les chercheurs ont mesuré ce temps directement, en observant combien de temps l'ion est resté dans cet état spécial avant qu'une collision aléatoire avec une molécule de gaz parasite ne le déloge. Même dans leur chambre à vide, où l'air est plus ténu que l'atmosphère sur Mars, ces collisions se produisent occasionnellement. En mesurant comment la durée de vie changeait lorsqu'ils ajustaient la pression, ils ont calculé que dans un vide parfait, exempt de toute collision, l'ion resterait dans cet état pendant 17,8 minutes. Cette durée est suffisamment longue pour être utile à la construction d'horloges atomiques avancées ou pour le stockage de l'information quantique, ce qui nécessite que l'état délicat d'un atome soit préservé pendant des périodes prolongées.

Pour trouver cet état, les scientifiques ont utilisé une méthode ingénieuse impliquant un petit cristal composé de seulement trois ions. Ils ont disposé ces ions en ligne et ont ensuite utilisé des champs électriques pour créer une situation où l'ion central pouvait se situer dans l'une de deux positions stables, légèrement au-dessus ou en dessous de la ligne centrale. Cette configuration agit comme un manomètre sensible. Lorsqu'une molécule de gaz parasite frappe le cristal, elle donne une minuscule impulsion à l'ion central, le faisant sauter, ou « bondir », entre les deux positions. En comptant la fréquence de ces bonds, l'équipe a pu déterminer exactement combien de molécules de gaz étaient présentes dans la chambre à n'importe quel moment donné. Ils ont ensuite peuplé les ions avec le l'état de longue durée et ont observé combien de temps l'ion y restait avant qu'une collision ne le force à en sortir. Plus l'ion restait longtemps, moins il y avait de collisions, et plus la mesure de la durée de vie naturelle de l'état devenait précise.

Les chercheurs ont également résolu un problème pratique qui entrave souvent les expériences avec des états de longue durée : comment ramener l'atome à la normale une fois l'expérience terminée. Si un atome se retrouve bloqué dans un état de longue durée, il cesse de briller, ce qui le rend invisible pour les détecteurs utilisés pour lire les résultats. L'équipe a identifié une couleur de laser spécifique, une lumière rouge profond de 701 nanomètres, qui pourrait agir comme un faisceau de « sauvetage ». Ce laser pousse doucement l'ion de l'état de longue durée vers un autre état, de plus haute énergie, qui retombe naturellement vers le cycle de refroidissement normal. Cela permet aux chercheurs de réinitialiser rapidement l'expérience et de lire les résultats sans perdre l'atome. Ils ont mesuré la fréquence exacte de ce laser de sauvetage pour différentes versions de l'atome ytterbium, confirmant que cette voie fonctionne de manière fiable.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà de la simple mesure du temps. L'état spécifique que l'équipe a étudié possède une structure interne complexe qui pourrait être utilisée pour protéger l'information contre les erreurs. Dans le monde de l'informatique quantique, l'information est fragile et facilement corrompue par l'environnement. Cependant, certaines structures atomiques peuvent être conçues pour être naturellement résistantes à ces erreurs. Le nouvel état de l'ion ytterbium offre une plateforme large et robuste pour une telle protection contre les erreurs, permettant potentiellement des ordinateurs quantiques plus puissants et plus fiables. L'équipe a confirmé que cet état ne possède pas de voies de désintégration rapides cachées qui ruineraient son utilité, ce qui en fait un candidat de premier plan pour les technologies futures. En prouvant que cet état peut durer près de dix-huit minutes et en montrant comment le contrôler avec des lasers, les chercheurs ont ouvert une nouvelle porte pour l'utilisation des ions ytterbium dans la prochaine génération d'instruments de précision et de machines quantiques.

Résumé technique : État métastable dans l'Yb+ avec une durée de vie supérieure à 10 minutes

Problématique et contexte
Les ions ytterbium piégés (Yb+) constituent des plateformes polyvalentes pour les étalons de fréquence optique et le traitement de l'information quantique. Bien que l'état $2F_{7/2}$ dans les isotopes impairs ( $^{171}$ Yb+, $^{173}$ Yb+) héberge des qubits métastables, des efforts théoriques et expérimentaux récents se sont concentrés sur l'expansion du multiplicité du moment angulaire ( $J$ ) pour implémenter des codes avancés de correction d'erreurs quantiques (QEC). Ces codes nécessitent souvent des états à grand $J$ ( $J > 3$ à $J > 10$ ) pour augmenter la distance du code et supprimer les erreurs logiques. Cependant, de nombreux états à haut $J$ dans l'Yb+ possèdent des voies de désactivation par dipôle magnétique (M1) qui limitent leur utilité pour le stockage à long terme. L'état $3[11/2]^o_{9/2}$ (à 30 224 cm $^{-1}$ ) a été identifié comme un candidat de premier plan pour un multiplicité de qubit supplémentaire car il est dépourvu de voies de désactivation M1 vers d'autres états couplés $J$ - $K$ , offrant théoriquement une durée de vie radiative longue, adaptée à la mémoire quantique ou à l'horlogerie. Avant ce travail, une vérification expérimentale directe de sa durée de vie et le développement de mécanismes de contrôle pratiques (tels que le repompage) étaient nécessaires pour valider son utilité.

Méthodologie
Les auteurs ont réalisé une spectroscopie laser et des mesures de durée de vie sur des ions Yb+ piégés ( $^{171}$ Yb+, $^{172}$ Yb+, et $^{174}$ Yb+) dans un piège de Paul à radiofréquence sous un champ magnétique de 4,00 G.

Préparation de l'état : Les ions sont cyclés entre l'état fondamental ( $2S_{1/2}$ ) et l'état métastable $2F_{7/2}$ via la transition quadripolaire électrique (E2) $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ . La population est ensuite transférée vers l'état cible $3[11/2]^o_{9/2}$ en utilisant un laser résonnant sur la transition E2 $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ .
Mesure de la durée de vie : La durée de vie sans collision a été déterminée en observant les « sauts quantiques » où les ions retournent de l'état emmagasiné $3[11/2]^o_{9/2}$ vers le cycle de refroidissement. Pour isoler la durée de vie radiative de l'extinction collisionnelle, les auteurs ont utilisé un manomètre à cristal de Coulomb bi-stable. Un cristal de trois ions a été configuré dans un état « zig-zag » enchevêtré, où l'ion central saute entre deux positions stables (« zig » et « zag ») lors d'une collision avec le gaz de fond. En mesurant le taux de saut ( $\Gamma_h$ ) comme indicateur de la pression locale et en corrélant ce taux avec le temps de séjour observé dans l'état métastable, les auteurs ont extrapolé la durée de vie sans collision ( $\tau_0$ ) à la limite où $\Gamma_h \to 0$ .
Repompage et spectroscopie : Pour traiter la longue durée de vie de l'état métastable, les auteurs ont étudié une voie de repompage. Ils ont identifié et piloté la transition $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ à 701 nm. L'état excité $3[7/2]^o_{5/2}$ se désactive via des canaux de dipôle électrique (E1) vers les états $2D_{3/2}$ et $2D_{5/2}$ , qui sont déjà efficacement repompés dans le cycle de refroidissement standard. La structure hyperfine a également été cartographiée pour $^{171}$ Yb+ afin de déterminer les coefficients de structure hyperfine $A$ .

Résultats clés

Durée de vie radiative : La durée de vie radiative sans collision de l'état $3[11/2]^o_{9/2}$ a été mesurée à 17,8(6) minutes. Cette valeur dépasse le seuil de 10 minutes requis pour de nombreuses applications d'information quantique et est cohérente avec les calculs théoriques récents (bien que la valeur théorique citée soit de 40,93 minutes, la limite inférieure expérimentale est robuste).
Fréquences de transition : Les auteurs ont mesuré les fréquences de transition $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ pour $^{172}$ Yb+ (263,985 96(2) THz) et $^{174}$ Yb+ (263,983 92(2) THz). Les fréquences de la transition de repompage $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ ont été mesurées à 427,898 78(2) THz ( $^{172}$ Yb+) et 427,898 86(2) THz ( $^{174}$ Yb+).
Coefficients hyperfins : Le coefficient hyperfin $A$ pour l'état $3[11/2]^o_{9/2}$ dans $^{171}$ Yb+ a été déterminé à 389(5) MHz. Pour l'état $3[7/2]^o_{5/2}$ , le coefficient a été mesuré à −310(10) MHz.
Extinction collisionnelle : En utilisant le manomètre à cristal bi-stable, les auteurs ont observé que l'extinction collisionnelle de la multiplicité $3[11/2]^o_{9/2}$ par le gaz de fond est plus efficace que pour l'état $2F_{7/2}$ , pourtant la durée de vie à la pression de base de l'appareil dépasse toujours 10 minutes.

Signification et affirmations
L'article établit l'état $3[11/2]^o_{9/2}$ comme une multiplicité de qubit viable et de longue durée pour les ions Yb+ piégés. La durée de vie démontrée de près de 18 minutes est suffisante pour une utilisation dans l'horlogerie atomique et le traitement de l'information quantique. L'identification réussie et la caractérisation de la transition de repompage à 701 nm fournissent un mécanisme pour une récupération rapide de la population, ce qui est essentiel pour les mesures de type quantification non destructive (QND) de la sous-structure au sein de la multiplicité métastable et pour une lecture efficace dans les applications d'horlogerie ou de qubit.

Les auteurs affirment que ce travail permet l'exploitation d'un qubit hyperfin de pointe dans $^{171}$ Yb+ avec une facilité de mise en œuvre relative, étant donné la séparation hyperfine radiofréquence accessible (1,94(2) GHz) et la longue durée de vie. De plus, la multiplicité $3[11/2]^o_{9/2}$ complète le schéma « omg » existant en fournissant une multiplicité de qubit optiquement isolée pendant l'opération active. Dans les isotopes pairs, cette multiplicité offre une plateforme pour le codage de type « spin-cat », où les états de calcul sont définis sur les états de tension (stretch states) ( $m_J = \pm 9/2$ ), permettant potentiellement la suppression des erreurs logiques qui croît exponentiellement avec le moment angulaire. Ce travail valide l'état $3[11/2]^o_{9/2}$ comme une ressource critique pour étendre les capacités des systèmes à ions piégés dans la mesure de précision et la correction d'erreurs quantiques.

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