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

Questo articolo riporta la misurazione diretta di un tempo di vita privo di collisioni di 17,8 minuti per lo stato metastabile ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ negli ioni $\mathrm{Yb}^+$ , insieme all'identificazione di una transizione di repumping a 701 nm e alla caratterizzazione dello spegnimento collisionale, stabilendo la fattibilità dello stato per l'orologeria atomica e l'elaborazione dell'informazione quantistica.

Autori originali: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

Pubblicato 2026-09-10

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CC BY 4.0

Autori originali: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

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Nel mondo silenzioso della fisica atomica, gli scienziati lavorano con i blocchi costruttivi più piccoli possibili della materia: singoli atomi privati di un elettrone, lasciandoli come ioni carichi positivamente. Questi oni possono essere catturati e tenuti fermi non da pareti fisiche, ma da gabbie invisibili fatte di campi elettrici e magnetici. Una volta intrappolati, possono essere raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto, dove smettono di oscillare e diventano perfettamente immobili. Questa immobilità permette ai ricercatori di sondare la struttura interna dell'atomo con una precisione incredibile. Uno degli obiettivi più importanti in questo campo è trovare stati dell'atomo che durino molto a lungo senza cambiare. Questi sono chiamati stati metastabili. Pensateli come una palla che riposa in una valle profonda e stretta; richiede molto tempo affinché la palla rotoli fuori, il che significa che l'atomo rimane in quella specifica condizione per minuti o addirittura ore. Tali stati a lunga durata sono la base per gli orologi più accurati al mondo e sono essenziali per il futuro del calcolo quantistico, dove l'informazione deve essere conservata senza svanire.

Un team di ricercatori dell'Università della California, Los Angeles, ha ora scoperto un nuovo stato, eccezionalmente duraturo, nello ione di ytterbio, un metallo pesante spesso usato in questi esperimenti. Intrappolando singoli ioni e osservandoli attentamente, hanno scoperto che uno stato eccitato dello ioone di ytterbio può sopravvivere per quasi diciotto minuti senza collassare nuovamente al suo stato normale. Questo è un traguardo significativo perché la maggior parte degli stati atomici eccitati svanisce in una frazione di secondo. I ricercatori hanno misurato questo tempo direttamente, osservando quanto tempo lo ione sia rimasto in questo stato speciale prima che una collisione casuale con una molecola di gas errante lo facesse uscire. Anche nella loro camera a vuoto, dove l'aria è più sottile dell'atmosfera di Marte, queste collisioni avvengono occasionalmente. Misurando come la durata cambiava man mano che regolavano la pressione, hanno calcolato che in un vuoto perfetto, libero da collisioni, lo ione sarebbe rimasto in questo stato per 17,8 minuti. Questa durata è sufficiente per essere utile alla costruzione di avanzati orologi atomici o per la conservazione di informazioni quantistiche, il che richiede che lo stato delicato di un atomo sia preservato per periodi prolungati.

Per trovare questo stato, gli scienziati hanno utilizzato un metodo ingegnoso che coinvolge un piccolo cristallo composto da soli tre ioni. Hanno disposto questi ioni in linea e poi hanno usato campi elettrici per creare una situazione in cui lo ione centrale potesse trovarsi in una delle due posizioni stabili, leggermente sopra o sotto la linea centrale. Questa configurazione agisce come un sensore di pressione estremamente sensibile. Quando una molecola di gas errante colpisce il cristallo, dà allo ione centrale una piccola spinta, facendolo saltare, o "saltellare", tra le due posizioni. Contando quanto spesso avvenivano questi salti, il team ha potuto determinare esattamente quanti gas erano presenti nella camera in ogni momento. Hanno poi popolato gli ioni con lo speciale stato a lunga durata e hanno osservato per quanto tempo lo ione fosse rimasto lì prima che una collisione lo costringesse a uscire. Più a lungo lo ione rimaneva, minori erano le collisioni, e più accurata diventava la loro misurazione della durata naturale dello stato.

I ricercatori hanno anche risolto un problema pratico che spesso affligge gli esperimenti con stati a lunga durata: come riportare l'atomo alla normalità una volta terminato l'esperimento. Se un atomo rimane bloccato in uno stato a lunga durata, smette di brillare, rendendolo invisibile ai rilevatori usati per leggere i risultati. Il team ha identificato una specifica frequenza laser, una luce rossa profonda a 7ole 701 nanometri, che potrebbe agire come un raggio di "soccorso". Questo laser spinge delicatamente lo ione dallo stato a lunga durata verso un altro stato, a energia più elevata, che naturalmente ricade nel ciclo di raffreddamento normale. Ciò consente ai ricercatori di resettare rapidamente l'esperimento e leggere i risultati senza perdere l'atomo. Hanno misurato la frequenza esatta di questo laser di soccorso per diverse versioni dell'atomo di ytterbio, confermando che questo percorso funziona in modo affidabile.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre la semplice misurazione del tempo. Lo stato specifico studiato dal team ha una struttura interna complessa che potrebbe essere utilizzata per proteggere l'informazione dagli errori. Nel mondo del calcolo quantistico, l'informazione è fragile e si corrompe facilmente a causa dell'ambiente. Tuttavia, determinate strutture atomiche possono essere progettate per essere naturalmente resistenti a questi errori. Il nuovo stato dello ione di ytterbio offre una piattaforma ampia e robusta per tale protezione dagli errori, permettendo potenzialmente computer quantistici più potenti e affidabili. Il team ha confermato che questo stato non presenta percorsi di decadimento rapidi nascosti che ne rovinerebbero l'utilità, rendendolo un candidato primario per le tecnologie future. Dimostrando che questo stato può durare quasi diciotto minuti e mostrando come controllarlo con i laser, i ricercatori hanno aperto una nuova porta per l'uso degli ioni di ytterbio nella prossima generazione di strumenti di precisione e macchine quantistiche.

Sintesi Tecnica: Stato Metastabile in Yb+ con Tempo di Vita Superiore a 10 Minuti

Problema e Contesto
Gli ioni di iterbio intrappolati (Yb+) fungono da versatili piattaforme per standard di frequenza ottica ed elaborazione dell'informazione quantistica. Mentre lo stato $2F_{7/2}$ negli isotopi dispari ( $^{171}$ Yb+, $^{173}$ Yb+) ospita qubit metastabili, recenti sforzi teorici e sperimentali si sono concentrati sull'espansione del manifold di momento angolare ( $J$ ) per implementare codici avanzati di correzione degli errori quantistici (QEC). Questi codici richiedono spesso stati ad alto $J$ ( $J > 3$ fino a $J > 10$ ) per aumentare la distanza del codice e sopprimere gli errori logici. Tuttavia, molti stati ad alto $J$ in Yb+ possiedono percorsi di decadimento a dipolo magnetico (M1) che ne limitano l'utilità per lo stoccaggio a lungo termine. Lo stato $3[11/2]^o_{9/2}$ (a 30.224 cm $^{-1}$ ) è stato identificato come un candidato primario per un manifold di qubit aggiuntivo perché manca di percorsi di decadimento M1 verso altri stati accoppiati $J$ - $K$ , offrendo teoricamente un tempo di vita radiativo prolungato adatto per la memoria quantistica o il clockwork. Prima di questo lavoro, era necessaria la verifica sperimentale diretta del suo tempo di vita e lo sviluppo di meccanismi di controllo pratici (come il repumping) per validarne l'utilità.

Metodologia
Gli autori hanno eseguito spettroscopia laser e misurazioni del tempo di vita su ioni Yb+ intrappolati ( $^{171}$ Yb+, $^{172}$ Yb+, e $^{174}$ Yb+) in una trappola Paul a radiofrequenza con un campo magnetico di 4,00 G.

Preparazione dello Stato: Gli ioni vengono ciclati tra lo stato fondamentale ( $2S_{1/2}$ ) e lo stato metastabile $2F_{7/2}$ tramite la transizione quadrupolare elettrica (E2) $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ . La popolazione viene poi trasferita allo stato target $3[11/2]^o_{9/2}$ utilizzando un laser risonante sulla transizione E2 $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ .
Misurazione del Tempo di Vita: Il tempo di vita privo di collisioni è stato determinato osservando i "salti quantici" in cui gli oni tornano dallo stato di shelving $3[11/2]^o_{9/2}$ al ciclo di raffreddamento. Per isolare il tempo di vita radiativo dal quenching collisionale, gli autori hanno utilizzato un manometro a cristallo Coulomb bi-stabile. Un cristallo a tre ioni è stato configurato in uno stato "zig-zag" spezzato, dove l'ione centrale salta tra due posizioni stabili ("zig" e "zag") in seguito a una collisione con il gas di fondo. Misurando il tasso di hopping ( $\Gamma_h$ ) come proxy della pressione locale e correlandolo con il tempo di permanenza osservato nello stato metastabile, gli autori hanno estrapolato il tempo di vita privo di collisioni ( $\tau_0$ ) al limite $\Gamma_h \to 0$ .
Repump e Spettroscopia: Per affrontare il lungo tempo di vita dello stato metastabile, gli autori hanno investigato un percorso di repump. Hanno identificato e pilotato la transizione $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ a 701 nm. Lo stato eccitato $3[7/2]^o_{5/2}$ decade tramite canali di dipolo elettrico (E1) verso gli stati $2D_{3/2}$ e $2D_{5/2}$ , che sono già efficientemente repumpati nel ciclo di raffreddamento standard. Anche la struttura iperfine è stata mappata per $^{171}$ Yb+ per determinare i coefficienti iperfini $A$ .

Risultati Chiave

Tempo di Vita Radiativo: Il tempo di vita radiativo privo di collisioni dello stato $3[11/2]^o_{9/2}$ è stato misurato in 17,8(6) minuti. Questo valore supera la soglia di 10 minuti richiesta per molte applicazioni di informazione quantistica ed è coerente con i recenti calcoli teorici (sebbene il valore teorico citato sia 40,93 minuti, il limite inferiore sperimentale è robusto).
Frequenze di Transizione: Gli autori hanno misurato le frequenze di transizione $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ per $^{172}$ Yb+ (263,985 96(2) THz) e $^{174}$ Yb+ (263,983 92(2) THz). Le frequenze di transizione di repump $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ sono state misurate come 427,898 78(2) THz ( $^{172}$ Yb+) e 427,898 86(2) THz ( $^{174}$ Yb+).
Coefficienti Iperfini: Il coefficiente iperfine $A$ per lo stato $3[11/2]^o_{9/2}$ in $^{171}$ Yb+ è stato determinato essere 389(5) MHz. Per lo stato $3[7/2]^o_{5/2}$ , il coefficiente è stato misurato come −310(10) MHz.
Quenching Collisionale: Utilizzando il manometro a cristallo bi-stabile, gli autori hanno osservato che il quenching collisionale del manifold $3[11/2]^o_{9/2}$ da parte del gas di fondo è più efficiente rispetto allo stato $2F_{7/2}$ , tuttavia il tempo di vita alla pressione di base dell'apparato supera comunque i 10 minuti.

Significato e Rivendicazioni
Il lavoro stabilisce lo stato $3[11/2]^o_{9/2}$ come un manifold di qubit a lunga durata di vita e vitale per gli ioni Yb+ intrappolati. Il tempo di vita dimostrato di quasi 18 minuti è sufficiente per l'uso in clock atomici e nell'elaborazione dell'informazione quantistica. L'identificazione riuscita e la caratterizzazione della transizione di repump a 701 nm forniscono un meccanismo per il recupero rapido della popolazione, essenziale per le misure di non-demolizione quantistica (QND) della sottostruttura all'interno del manifold metastabile e per una lettura efficiente in applicazioni di clock o qubit.

Gli autori affermano che questo lavoro consente l'operazione di un qubit iperfine all'avanguardia in $^{171}$ Yb+ con relativa facilità di implementazione, dato il raggiungibile splitting iperfine a radiofrequenza (1,94(2) GHz) e il lungo tempo di vita. Inoltre, il manifold $3[11/2]^o_{9/2}$ aumenta lo schema "omg" esistente fornendo un manifold di qubit otticamente isolato durante l'operazione attiva. Negli isotopi pari, questo manifold offre una piattaforma per l'encoding spin-cat, dove gli stati computazionali sono definiti sugli stati stretch ( $m_J = \pm 9/2$ ), permettendo potenzialmente la soppressione degli errori logici che scala esponenzialmente con il momento angolare. Il lavoro valida lo stato $3[11/2]^o_{9/2}$ come una risorsa critica per espandere le capacità dei sistemi a ioni intrappolati nella misurazione di precisione e nella correzione degli errori quantistici.

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