2026年9月16日——里德堡原子被认为是量子计算机及其前身——量子模拟器——有前景的构建单元。斯图加特大学 第五物理研究所 的研究人员在圆形里德堡原子的寿命、尺寸和存储时间方面取得了创纪录的数值。圆形里德堡原子是里德堡原子的一种特殊形式，其中电子围绕原子核在稳定的圆形轨道上运动。相关研究结果发表于 Nature Communications。

量子模拟器用于研究目的复现量子系统，是未来量子计算机的前身。“开发高性能量子模拟器的一大挑战在于，里德堡原子高度敏感，只能短暂保持稳定。我们克服了这一挑战，将原子的稳定性提升为原来的20倍，”斯图加特大学第五物理研究所所长 Prof. Dr. Tilman Pfau 表示。里德堡原子是中性原子量子技术的重要构建单元，这类技术使用可用激光捕获和控制的中性（即不带电）原子。里德堡原子比普通原子大数千倍，因此能够在约5微米的异常长距离上相互作用。尽管这仅约为人头发丝粗细的十分之一，但在原子的微小世界中却是巨大的距离。

在寿命、尺寸和存储时间方面取得创纪录数值

“我们一举创下三项国际纪录：单个里德堡原子迄今测得的最长寿命、尺寸最大的受控圆形里德堡原子，以及此类原子在光镊中的最长存储时间，”斯图加特大学第五物理研究所研究组组长 Dr. Florian Meinert 表示。

为实现这一目标，研究人员迫使里德堡原子中高度激发的电子进入一个圆形轨道，该轨道保持稳定达11毫秒，比自由空间中的可比状态长20倍以上。这些电子在直径约1.1微米的轨道上运动；这大约比普通原子中的轨道大10,000倍。研究人员还能用激光束将这些原子捕获133毫秒，从而创下另一项纪录。“这些纪录为让量子模拟器更强大、执行更多计算并更精确地控制量子系统开辟了新的可能性，”Meinert 团队的博士研究员 Einius Pultinevicius 表示。

在室温下创建长寿命里德堡原子

“我们在室温下实现了这些创纪录结果，而无需此前所需的昂贵液氦冷却，”Meinert 表示。研究人员通过改进20世纪80年代的一个物理概念实现了这一点：利用特殊金属壁屏蔽原子，使其免受干扰性热辐射影响。即使在正常室温下，环境也并非完全“安静”；每个表面都会发出不可见的微波辐射，可能使敏感的里德堡原子失稳。因此，迄今为止，此类实验都需要复杂的冷却系统。团队将原子置于两块透明且导电的板之间，以抑制干扰微波。“我们的结果表明，即使在室温下，也可能实现极长寿命的里德堡原子。我们改进了物理学中一个众所周知的概念，使其适用于现代量子平台，”Meinert 表示。

更持久的稳定性是更强大量子计算机的前提

“这些进展可能在量子模拟器和量子计算机的发展中发挥重要作用，”Pfau 表示。光镊中的中性原子是可扩展量子模拟器最有前景的平台之一。里德堡原子的高稳定性使得能够更长时间地保存量子信息，并更精确地控制原子之间的相互作用。研究人员预计，这将使量子计算机能够以更少错误运行更长时间的计算。凭借创下的这些纪录，斯图加特大学如今拥有一个全球独一无二的圆形里德堡原子实验平台。研究人员计划利用该平台开发新型量子计算机、量子模拟器和高精度量子传感器。