🔬 atomic physics

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

Dit artikel rapporteert de directe meting van een botsingsvrije levensduur van 17,8 minuten voor de metastabiele ${}^3[11/2]_{9/2}^o$ -toestand in $\mathrm{Yb}^+$ -ionen, samen met de identificatie van een 701 nm repump-transitie en de karakterisering van collisionele quenching, waarmee de levensvatbaarheid van de toestand voor atoomklokwerk en kwantuminformatieverwerking wordt vastgesteld.

Oorspronkelijke auteurs: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

Gepubliceerd 2026-09-10

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Hassan Farhat, William Liu, Wesley C. Campbell

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

In de stille wereld van de atomaire fysica werken wetenschappers met de kleinste bouwstenen van materie: enkelvoudige atomen die van een elektron zijn ontdaan, waardoor ze positief geladen ionen zijn geworden. Deze ionen kunnen worden gevangen en op hun plaats gehouden, niet door fysieke muren, maar door onzichtbare kooien gemaakt van elektrische en magnetische velden. Eenmaal gevangen, kunnen ze worden afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, waar ze ophouden met trillen en volkomen stil worden. Deze stilstand stelt onderzoekers in staat om de interne structuur van het atoom met ongelooflijke precisie te onderzoeken. Een van de belangrijkste doelen in dit vakgebied is het vinden van toestanden van het atoom die zeer lang aanhouden zonder te veranderen. Dit worden metastabiele toestanden genoemd. Denk aan een bal die rust in een diepe, smalle vallei; het duurt een lange tijd voordat de bal eruit rolt, wat betekent dat het atoom in die specifieke conditie blijft voor minuten of zelfs uren. Dergelijke langdurige toestanden vormen de basis voor de meest nauwkeurige klokken ter wereld en zijn essentieel voor de toekomst van quantumcomputing, waarbij informatie moet worden opgeslagen zonder te vervagen.

Een team onderzoekers aan de University of California, Los Angeles, heeft nu een nieuwe, uitzonderlijk langdurige toestand ontdekt in het ytterbiumion, een zwaar metaalatoom dat vaak in deze experimenten wordt gebruikt. Door enkelvoudige ionen te vangen en ze zorgvuldig te observeren, ontdekten zij dat een aangeslagen toestand van het ytterbiumion bijna achttien minuten kan overleven zonder terug te vallen naar zijn normale toestand. Dit is een belangrijke prestatie, omdat de meeste aangeslagen atomaire toestanden verdwijnen in een fractie van een seconde. De onderzoekers maten deze tijd direct door te observeren hoe lang het ion in deze speciale toestand bleef voordat een willekeurige botsing met een rondvliegend gasmolecuul het eruit stootte. Zelfs in hun vacuümkamer, waar de lucht dunner is dan de atmosfeer op Mars, vinden deze botsingen af en toe plaats. Door te meten hoe de levensduur veranderde terwijl zij de druk aanpasten, berekenden zij dat het ion in een perfect vacuüm, vrij van enige botsingen, 17,8 minuten in deze toestand zou blijven. Deze duur is lang genoeg om nuttig te zijn voor het bouwen van geavanceerde atoomklokken of voor het opslaan van quantuminformatie, wat vereist dat de delicate toestand van een atoom gedurende langere perioden wordt bewaard.

Om deze toestand te vinden, gebruikten de wetenschappers een slimme methode waarbij een klein kristal van slechts drie ionen werd gebruikt. Zij arrangeerden deze ionen in een lijn en gebruikten vervolgens elektrische velden om een situatie te creëren waarin het middelste ion in een van de twee stabiele posities kon zitten, iets boven of onder de middellijn. Deze opstelling werkt als een gevoelige drukmeter. Wanneer een rondvliegend gasmolecuul tegen het kristal botst, geeft het het middelste ion een kleine duw, waardoor het tussen de twee posities springt of "hop". Door te tellen hoe vaak deze sprongen voorkwamen, kon het team precies bepalen hoeveel gasmoleculen er op elk gegeven moment in de kamer aanwezig waren. Zij vulden de ionen vervolgens met de speciale langdurige toestand en keken hoe lang het ion daar bleef voordat een botsing het eruit dwong. Hoe langer het ion bleef, hoe minder botsingen er waren, en hoe nauwkeuriger hun meting van de natuurlijke levensduur van de toestand werd.

De onderzoekers losten ook een praktisch probleem op dat experimenten met langdurige toestanden vaak teisteren: hoe je het atoom weer normaal krijgt zodra het experiment voorbij is. Als een atoom vast komt te zitten in een langdurige toestand, stopt het met gloeien, waardoor het onzichtbaar wordt voor de detectoren die worden gebruikt om de resultaten af te lezen. Het team identificeerde een specifieke laserkleur, een dieprood licht van 701 nanometer, die als een "reddingsstraal" kon dienen. Deze laser duwt het ion voorzichtig uit de langdurige toestand naar een andere, hogere energietoestand die van nature terugvalt naar de normale koelcyclus. Dit stelt de onderzoekers in staat om het experiment snel te resetten en de resultaten af te lezen zonder het atoom te verliezen. Zij maten de exacte frequentie van deze reddingslaser voor verschillende versies van het ytterbiumatoom, waarmee zij bevestigden dat deze route betrouwbaar werkt.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het meten van tijd. De specifieke toestand die het team bestudeerde, heeft een complexe interne structuur die gebruikt kan worden om informatie te beschermen tegen fouten. In de wereld van quantumcomputing is informatie fragiel en gemakkelijk te corrumperen door de omgeving. Bepaalde atomaire structuren kunnen echter zo worden ontworpen dat ze van nature resistent zijn tegen deze fouten. De nieuwe toestand van het ytterbiumion biedt een groot, robuust platform voor dergelijke foutbescherming, wat potentieel krachtigere en betrouwbaardere quantumcomputers mogelijk maakt. Het team bevestigde dat deze toestand geen verborgen, snelle paden naar verval heeft die het nut ervan zouden ruïneren, wat het een primaire kandidaat maakt voor toekomstige technologieën. Door te bewijzen dat deze toestand bijna achttien minuten kan duren en door aan te tonen hoe men deze met lasers kan controleren, hebben de onderzoekers een nieuwe deur geopend voor het gebruik van ytterbiumionen in de volgende generatie precisie-instrumenten en quantummachines.

Technische Samenvatting: Metastabiele Toestand in Yb+ met een Levensduur Groter Dan 10 Minuten

Probleem en Context
Gevangen ytterbiumionen (Yb+) dienen als veelzijdige platforms voor optische frequentiestandaarden en kwantuminformatieverwerking. Hoewel de $2F_{7/2}$ -toestand in oneven isotopen ( $^{171}$ Yb+, $^{173}$ Yb+) metastabiele qubits herbergt, hebben recente theoretische en experimentele inspanningen zich gericht op het uitbreiden van de impulsmultiplet ( $J$ ) om geavanceerde kwantumfoutcorrectie-codes (QEC) te implementeren. Deze codes vereisen vaak toestanden met een grote $J$ ( $J > 3$ tot $J > 10$ ) om de codenafstand te vergroten en logische fouten te onderdrukken. Veel hoog- $J$ -toestanden in Yb+ bezitten echter magnetische dipool (M1) vervalpaden die hun bruikbaarheid voor langdurige opslag beperken. De $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand (bij 30.224 cm $^{-1}$ ) werd geïdentificeerd als een primaire kandidaat voor een extra qubit-multiplet omdat deze geen M1-vervalpaden naar andere $J$ - $K$ -gekoppelde toestanden bezit, wat theoretisch een lange radiatieve levensduur biedt die geschikt is voor kwantumgeheugen of klokwerk. Voorafgaand aan dit werk waren directe experimentele verificatie van de levensduur en de ontwikkeling van praktische controlemechanismen (zoals repumping) vereist om de bruikbaarheid ervan te valideren.

Methodologie
De auteurs voerden laser-spectroscopie en levensduurmetingen uit op gevangen Yb+-ionen ( $^{171}$ Yb+, $^{172}$ Yb+, en $^{174}$ Yb+) in een radiofrequente Paul-val met een magnetisch veld van 4,00 G.

Toestandsvoorbereiding: Ionen werden gecyceld tussen de grondtoestand ( $2S_{1/2}$ ) en de metastabiele $2F_{7/2}$ -toestand via de $2S_{1/2} \leftrightarrow 2D_{5/2}$ elektrische kwadrupool (E2) transitie. Het populatieverloop werd vervolgens overgebracht naar de doelwit- $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand met behulp van een resonante laser op de $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ E2-transitie.
Levensduurmeting: De botsingsvrije levensduur werd bepaald door "kwantumspringetjes" te observeren waarbij ionen terugkeerden van de opgeslagen $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand naar de koelcyclus. Om de radiatieve levensduur te isoleren van collisionele quenching, gebruikten de auteurs een bistabiele Coulomb-kristalmanometer. Een drie-ionen-kristal werd geconfigureerd in een "zig-zag" geknikte toestand, waarbij het centrale ion tussen twee stabiele posities ("zig" en "zag") springt bij een botsing met achtergrondgas. Door de sprongfrequentie ( $\Gamma_h$ ) te meten als een proxy voor de lokale druk en deze te correleren met de geobserveerde verblijftijd in de metastabiele toestand, extrapoleerden de auteurs de botsingsvrije levensduur ( $\tau_0$ ) naar de limiet waar $\Gamma_h \to 0$ .
Repump en Spectroscopie: Om de lange levensduur van de metastabiele toestand aan te pakken, onderzochten de auteurs een repump-pad. Ze identificeerden en stimuleerden de $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ transitie bij 701 nm. De aangeslagen $3[7/2]^o_{5/2}$ -toestand vervalt via elektrische dipool (E1) kanalen naar de $2D_{3/2}$ en $2D_{5/2}$ toestanden, die al efficiënt worden gerepump in de standaard koelcyclus. De hyperfine structuur werd ook in kaart gebracht voor $^{171}$ Yb+ om de hyperfine $A$ -coëfficiënten te bepalen.

Belangrijkste Resultaten

Radiatieve Levensduur: De botsingsvrije radiatieve levensduur van de $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand werd gemeten op 17,8(6) minuten. Deze waarde overschrijdt de drempel van 10 minuten die vereist is voor veel kwantuminformatietoepassingen en is consistent met recente theoretische berekeningen (hoewel de geciteerde theoretische waarde 40,93 minuten is, is de experimentele ondergrens robuust).
Transitiefrequenties: De auteurs maten de $2F_{7/2} \leftrightarrow 3[11/2]^o_{9/2}$ transitiefrequenties voor $^{172}$ Yb+ (263,985 96(2) THz) en $^{174}$ Yb+ (263,983 92(2) THz). De $3[11/2]^o_{9/2} \leftrightarrow 3[7/2]^o_{5/2}$ repump transitiefrequenties werden gemeten als 427,898 78(2) THz ( $^{172}$ Yb+) en 427,898 86(2) THz ( $^{174}$ Yb+).
Hyperfine Coëfficiënten: De hyperfine $A$ -coëfficiënt voor de $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand in $^{171}$ Yb+ werd bepaald op 389(5) MHz. Voor de $3[7/2]^o_{5/2}$ -toestand werd de coëfficiënt gemeten als −310(10) MHz.
Collisionele Quenching: Met behulp van de bistabiele kristalmanometer observeerden de auteurs dat de collisionele quenching van de $3[11/2]^o_{9/2}$ -multiplet door achtergrondgas efficiënter is dan voor de $2F_{7/2}$ -toestand, maar dat de levensduur bij de basisdruk van het apparaat nog steeds meer dan 10 minuten bedraagt.

Betekenis en Claims
Het artikel vestigt de $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand als een levensvatbaar, langdurig qubit-multiplet voor gevangen Yb+-ionen. De gedemonstreerde levensduur van bijna 18 minuten is voldoende voor gebruik in atoomklokwerk en kwantuminformatieverwerking. De succesvolle identificatie en benchmarking van de 701 nm repump transitie biedt een mechanisme voor snelle populatieherstel, wat essentieel is voor kwantum-niet-demolitie (QND) metingen van de substructuur binnen het metastabiele multiplet en voor efficiënte uitlezing in klok- of qubit-toepassingen.

De auteurs claimen dat dit werk de werking van een state-of-the-art hyperfine qubit in $^{171}$ Yb+ mogelijk maakt met relatieve gemak van implementatie, gezien de toegankelijke radiofrequente hyperfine splitsing (1,94(2) GHz) en de lange levensduur. Bovendien vergroot de $3[11/2]^o_{9/2}$ -multiplet het bestaande "omg"-schema door een optisch geïsoleerd qubit-multiplet te bieden tijdens actieve operatie. In even isotopen biedt dit multiplet een platform voor spin-cat codering, waarbij computationele toestanden worden gedefinieerd op de stretch-toestanden ( $m_J = \pm 9/2$ ), wat potentieel een onderdrukking van logische fouten toestaat die exponentieel schaalt met het impulsmoment. Het werk valideert de $3[11/2]^o_{9/2}$ -toestand als een cruciale bron voor het uitbreiden van de mogelijkheden van gevangen-ion systemen in precisie-meting en kwantumfoutcorrectie.

Meer zoals dit