萊斯大學的物理學家們正在新的實驗中推動空間界限的發展。他們已經學會瞭如何精確地控制巨大的里德堡(Rydberg)原子中的電子，他們可以創造“合成維度”，這是量子模擬的重要工具。

萊斯大學研究團隊開發了一種技術，通過應用共振微波電場將許多狀態耦合在一起，來設計超冷鍶原子的里德堡態。當原子中的一個電子在能量上被提升到一個高度激發的狀態時，就會出現里德堡態，使其軌道超大，使原子比正常情況下大幾千倍。

超冷的里德堡原子比絕對零度高約百萬分之一。通過精確和靈活地操縱電子運動，萊斯量子計劃的研究人員以模擬真實材料的方式將格子狀的里德堡水平耦合起來。這些技術還可以幫助實現在真實三維空間中無法實現的系統，為量子研究創造一個強大的新平台。

萊斯大學物理學家Tom Killian、Barry Dunning和Kaden Hazzard都是該計劃的成員，他們與主要作者和研究生Soumya Kanungo一起在《自然通訊》上發表了一篇論文，詳細介紹了這項研究。這項研究建立在以前的工作基礎上，Killian和Dunning在2018年首次探索了里德堡原子。

里德堡原子擁有許多有規律間隔的量子能級，這些能級可以通過微波耦合，使高度激發的電子在能級之間移動。這個“合成維度”的動力學在數學上相當於一個粒子在真實晶體的晶格點之間移動。

Hazzard說：“在典型的高中物理實驗中，人們可以看到來自原子的光發射線，它對應著從一個能級到另一個能級的轉變，”Hazzard是物理學和天文學副教授，他在之前的幾篇論文中為這項研究建立了理論基礎。“人們甚至可以用一個非常原始的光譜儀看到這一點：一個棱鏡！”

他說：“這裡的新內容是，我們把每個層次看作是空間中的一個位置。通過送入不同波長的光，我們可以把水平線連接起來。我們可以使層次看起來像粒子，只是在空間位置之間移動。”

Hazzard說：“這很難用光–或納米波長的電磁輻射–來做，但我們正在用毫米波長工作，這使得它在技術上更容易產生耦合作用。”

萊斯大學物理學和天文學教授、維斯自然科學學院院長Killian說：“我們可以設置相互作用，粒子移動的方式，並捕捉一個更複雜系統的所有重要物理學。”

他說：“真正令人興奮的事情將是當我們把多個里德堡原子聚集在一起，在這個合成空間中創造相互作用的粒子。有了這個，我們將能夠做一些我們無法在傳統計算機上模擬的物理學，因為它很快就會變得很複雜。”

研究人員通過實現一個被稱為Su-Schrieffer-Heeger系統的一維晶格來證明他們的技術。為了製造它，他們用激光器冷卻鍶原子，並應用具有交替的弱耦合和強耦合的微波來創造適當的合成景觀。第二組激光器被用來將原子激發到耦合的、高位的里德堡態的流形。

Killian說，該實驗揭示了粒子如何在一維晶格中移動，或者在某些情況下被凍結在邊緣，即使它們有足夠的能量來移動。這與可以用拓撲結構來描述的材料特性有關。

“當使用毫米波來耦合里德堡原子狀態時，更容易對耦合振幅進行控制，”Kanungo說。“當我們實現了一維晶格，所有的耦合都到位了，我們可以嘗試看看激發一個里德堡電子進入該合成空間會產生什麼動力學。”

“使用量子模擬器有點像使用風洞，在汽車或飛機更複雜的空氣動力學中分離出你所關心的小而重要的影響，”Killian說。“當系統受量子力學支配時，這就變得很重要了，只要你有幾個粒子和幾個自由度，描述正在發生的事情就變得很複雜。”

他說：“量子模擬器是人們認為對量子信息科學的投資將成為早期有用的工具之一。”他指出，這個實驗結合了現在研究原子物理的實驗室中相當標準的技術。

他說：“所有的技術都是成熟的。你甚至可以設想這幾乎成為一個人們可以使用的黑匣子實驗，因為各個部分都非常強大。”