在原子物理学的寂静世界里，科学家们研究的是物质最微小的构建模块：被剥离了一个电子的单个原子，使其成为带正电的离子。这些离子可以被捕获并固定在原位，其依靠的不是物理墙壁，而是由电场和磁场构成的无形笼子。一旦被捕获，它们可以被冷却到接近绝对零度的温度，在那里它们停止了晃动，变得完全静止。这种静止状态让研究人员能够以惊人的精度探测原子的内部结构。该领域最重要的目标之一是寻找那些能够长时间存在而不发生变化的原子状态。这些被称为亚稳态（metastable states）。可以将它们想象成一个停留在深而窄的山谷中的球；球需要很长时间才能滚出来，这意味着原子可以保持在这种特定状态长达数分钟甚至数小时。这些长寿命状态是世界上最精确的时钟的基础，对于量子计算的未来也至关重要，因为在量子计算中，信息必须被存储且不发生消逝。
加州大学洛杉矶分校的一支研究团队现在发现了一种在镱离子（一种常用于此类实验的重金属原子）中存在的、异常持久的新状态。通过捕获单个离子并仔细观察它们，他们发现镱离子的一个激发态可以在坍缩回正常状态之前存续近十八分钟。这是一项重大的成就，因为大多数激发的原子状态会在不到一秒钟的时间内消失。研究人员直接测量了这个时间，观察了该离子在被随机碰撞的杂质气体分子撞出该特殊状态之前停留了多久。即使在他们的真空室中——那里的空气比火星大气层还要稀薄——这些碰撞偶尔也会发生。通过测量随着他们调节压力时寿命的变化，他们计算出在没有任何碰撞的完美真空中，该离子将保持在此状态长达17.8分钟。这段持续时间足以用于制造先进的原子钟，或用于存储量子信息，而后者要求原子的精细状态能够被长时间保存。
为了找到这种状态，科学家们使用了一种巧妙的方法，涉及一个仅由三个离子组成的小晶体。他们将这些离子排列成一排，然后利用电场创造出一种情境，使中间的离子可以坐在两个稳定位置之一：中心线略上方或略下方。这种设置就像一个灵敏的压力计。当一个杂质气体分子撞击晶体时，它会给中间的离子一个微小的推动，导致它在两个位置之间“跳跃”。通过计算这些跳跃发生的频率，团队可以确定在任何给定时刻，腔室内存在多少气体分子。随后，他们用这种特殊的长寿命状态填充离子，并观察离子在碰撞迫使其离开之前能停留多久。离子停留得越久，碰撞就越少，他们对该状态自然寿命的测量也就越精确。
研究人员还解决了一个经常困扰长寿命状态实验的实际问题：实验结束后如何让原子恢复正常。如果一个原子陷入了长寿命状态，它就会停止发光，从而在用于读取结果的探测器面前变得“隐形”。团队确定了一种特定的激光颜色——一种波长为701纳米的深红光，它可以充当“救援”光束。这种激光能温柔地将离子从长寿命状态推向另一个更高的能量状态，而该状态会自然地落回正常的冷却循环中。这使得研究人员能够快速重置实验并读取结果，而不会丢失原子。他们测量了针对不同版本镱原子的救援激光的确切频率，证实了这一路径是可靠的。
这项工作的意义不仅限于测量时间。团队研究的这种特定状态具有复杂的内部结构，可用于保护信息免受错误影响。在量子计算的世界里，信息是脆弱的，极易受到环境的影响。然而，某些原子结构可以被设计成对这些错误具有天然的抵抗力。镱离子的这种新状态提供了一个庞大且稳健的平台用于这种误差保护，有望实现更强大、更可靠的量子计算机。团队证实，该状态不存在会导致其失去实用性的隐藏快速衰减路径，这使其成为了未来技术的理想候选者。通过证明这种状态可以持续近十八分钟，并通过展示如何用激光控制它，研究人员为在下一代精密仪器和量子机器中使用镱离子开启了一扇新的大门。
技术摘要：寿命大于 10 分钟的 Yb+ 亚稳态
问题与背景
捕获的镱离子（Yb+）是光学频率标准和量子信息处理中多功能的平台。虽然奇数同位素（171Yb+, 173Yb+）中的 2F7/2 态提供了亚稳态比特，但近期的理论和实验研究重点在于扩展角动量流形（J），以实现先进的量子纠错（QEC）码。这些编码通常需要大 J 态（J>3 到 J>10）来增加编码距离并抑制逻辑错误。然而，Yb+ 中的许多高 J 态具有磁偶极（M1）衰减路径，这限制了它们的长期存储效用。3[11/2]9/2o 态（位于 30,224 cm−1）被确定为额外的比特流形的理想候选者，因为它缺乏向其他 J-K 耦合态的 M1 衰减路径，理论上具有适合作为量子存储器或时钟驱动器的长辐射寿命。在此项工作之前，需要对该态的寿命进行直接实验验证，并开发实用的控制机制（如再泵浦），以验证其应用价值。
方法论
作者在具有 4.00 G 磁场的射频保罗阱（Paul trap）中，对捕获的 Yb+ 离子（171Yb+, 172Yb+, 174Yb+）进行了激光光谱学和寿命测量。
- 态制备： 通过 2S1/2↔2D5/2 电四极（E2）跃迁，使离子在基态（2S1/2）与亚稳态 2F7/2 之间循环。随后利用 2F7/2↔3[11/2]9/2o E2 跃迁的共振激光，将布居转移到目标 3[11/2]9/2o 态。
- 寿命测量： 通过观察离子从被搁置的 3[11/2]9/2o 态返回冷却循环时的“量子跳跃”来确定无碰撞寿命。为了将辐射寿命与碰撞猝灭区分开，作者利用了一个双稳态库仑晶体压力计（bi-stable Coulomb-crystal manometer）。一个三离子晶体被配置为“锯齿形”（zig-zag）扭结态，其中中心离子在受到背景气体碰撞时，会在两个稳定位置（“zig”和“zag”）之间跳变。通过测量跳变率（Γh）作为局部压力的代理指标，并将其与观测到的亚稳态停留时间相关联，作者将碰撞自由寿命（τ0）外推至 Γh→0 的极限。
- 再泵浦与光谱学： 为了应对亚稳态的长寿命问题，作者研究了再泵浦路径。他们识别并驱动了 701 nm 处的 3[11/2]9/2o↔3[7/2]5/2o 跃迁。激发态 3[7/2]5/2o 通过电偶极（E1）通道衰减至 2D3/2 和 2D5/2 态，而这两个态在标准的冷却循环中已被高效地进行再泵浦。此外，还对 171Yb+ 的超精细结构进行了映射，以确定超精细 A 系数。
关键结果
- 辐射寿命： 3[11/2]9/2o 态的碰撞自由辐射寿命经测量为 17.8(6) 分钟。该数值超过了许多量子信息应用所需的 10 分钟阈值，并且与近期的理论计算一致（尽管引用的理论值为 40.93 分钟，但实验下限是可靠的）。
- 跃迁频率： 作者测量了 172Yb+（263.985 96(2) THz）和 174Yb+（263.983 92(2) THz）的 2F7/2↔3[11/2]9/2o 跃迁频率。3[11/2]9/2o↔3[7/2]5/2o 再泵浦跃迁频率分别测定为 172Yb+ 的 427.898 78(2) THz 和 174Yb+ 的 427.898 86(2) THz。
- 超精细系数： 171Yb+ 中 3[11/2]9/2o 态的超精细 A 系数确定为 389(5) MHz。对于 3[7/2]5/2o 态，测得的系数为 −310(10) MHz。
- 碰撞猝灭： 利用双稳态晶体压力计，作者观察到背景气体对 3[11/2]9/2o 流形的碰撞猝灭比 2F7/2 更为高效，但在实验装置的基础压力下，其寿命仍超过 10 分钟。
意义与主张
本文确立了 3[11/2]9/2o 态作为捕获 Yb+ 离子中一种可行且长寿命的比特流形。所展示的近 18 分钟的寿命足以用于原子钟驱动和量子信息处理。成功识别并标定 701 nm 再泵浦跃迁，为快速布居恢复提供了机制，这对于亚稳态内部子结构的量子非破坏性（QND）测量以及时钟或比特应用的有效读取至关重要。
作者声称，这项工作使得在 171Yb+ 中运行先进的超精细比特变得更加容易，因为其射频超精细分裂（1.94(2) GHz）易于实现且寿命极长。此外，3[11/2]9/2o 流形增强了现有的“omg”方案，通过在活跃运行期间提供一个光学隔离的比特流形。在偶同位素中，该流形为“自旋猫”（spin-cat）编码提供了平台，其中计算态定义在拉伸态（stretch states, mJ=±9/2）上，这可能允许实现随角动量指数级缩放的逻辑错误抑制。这项工作验证了 3[11/2]9/2o 态是扩展捕获离子系统在精密测量和量子纠错能力方面的关键资源。
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