Kolme kvanttifysiikan maailmanennätystä

(25.9.2026) Kvanttisimulaattorit replikoivat kvanttijärjestelmiä tutkimustarkoituksiin ja ovat tulevaisuuden kvanttitietokoneiden edeltäjiä. ”Yksi suurimmista haasteista tehokkaiden kvanttisimulaattoreiden kehittämisessä oli se, että Rydbergin atomit ovat erittäin herkkiä ja pysyvät vakaina vain lyhyen aikaa.

Selvisimme tästä haasteesta ja lisäsimme atomien stabiilisuutta 20-kertaisesti”, sanoo professori Tilman Pfau Stuttgartin yliopiston 5. fysiikan instituutin johtaja.

Rydbergin atomit ovat tärkeitä rakenneosia neutraalien atomien kvanttiteknologioille. Neutraaleja atomeja voidaan vangita ja ohjata laservalolla. Ne ovat useita tuhansia kertoja suurempia kuin normaalit atomit ja voivat siksi olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa epätavallisen pitkillä, noin 5 µm:n etäisyyksillä.

”Teimme kerralla kolme kansainvälistä ennätystä: yksittäisten Rydberg-atomien pisimmän koskaan mitatun eliniän, suurimmat hallitut pyöreät Rydberg-atomit ja pisimmän säilytysajan optisissa pinseteissä”, sanoo tohtori Florian Meinert.

Tämän saavuttamiseksi tutkijat pakottivat Rydbergin atomin erittäin virittyneen elektronien ympyräradalle, joka pysyi vakaana 11 ms:n ajan, yli 20 kertaa pidempään kuin vastaavat tilat vapaassa avaruudessa.

Elektronit liikkuvat noin 1,1 µm:n halkaisijaltaan olevilla kiertoradoilla; nämä ovat noin 10 000 kertaa suurempia kuin tavallisten atomien kiertoradat.

Tutkijat pystyivät myös vangitsemaan atomit 133 ms:n ajaksi lasersäteen avulla, mikä on myös uusi ennätys. "Nämä ennätykset avaavat uusia mahdollisuuksia kvanttisimulaattoreiden tehostamiseen, useampien laskutoimitusten suorittamiseen ja kvanttijärjestelmien ohjaamiseen tarkemmin", sanoo Einius Pultinevicius, Meinertin ryhmän tohtoriopiskelija.

”Saavutimme nämä ennätystulokset huoneenlämmössä ilman aiemmin vaadittua kallista nestemäisen heliumin jäähdytystä”, Meinert toteaa. Tutkijat saavuttivat tämän jalostamalla 1980-luvulta peräisin olevaa fysikaalista konseptia: atomien suojaaminen häiritsevältä lämpösäteilyltä erityisillä metalliseinillä. Jopa normaalissa huoneenlämmössä ympäristö ei ole täysin ”hiljainen”; jokainen pinta säteilee näkymätöntä mikroaaltosäteilyä, joka voi horjuttaa herkkiä Rydbergin atomeja.

Tähän asti tällaiset kokeet ovat siksi vaatineet monimutkaisia jäähdytysjärjestelmiä. Tutkimusryhmä sijoitti atomit kahden läpinäkyvän, sähköä johtavan levyn väliin, jotka vaimentavat häiritseviä mikroaaltoja. ”Tuloksemme osoittavat, että erittäin pitkäikäiset Rydbergin atomit ovat mahdollisia jopa huoneenlämmössä. Olemme jalostaneet fysiikan tunnetun konseptin käytettäväksi nykyaikaisissa kvanttialustoissa”, Meinert sanoo.

”Näillä edistysaskeleilla voisi olla tärkeä rooli kvanttisimulaattoreiden ja kvanttitietokoneiden kehittämisessä”, Pfau sanoo. Optisten pinsettien neutraalit atomit ovat lupaavimpia alustoja skaalautuville kvanttisimulaattoreille. Rydberg-atomien korkea stabiilius mahdollistaa kvantti-informaation säilyttämisen pidempään ja atomien välisten vuorovaikutusten tarkemman hallinnan.

Tutkijat odottavat tämän mahdollistavan kvanttitietokoneille laskutoimitusten suorittamisen pidempään ja vähemmillä virheillä. Stuttgartin yliopistolla on nyt maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen kokeellinen alusta pyöreille Rydberg-atomeille.

Aiheesta aiemmin:

15 000 pisteen kvanttisimulaattori

Lupaavia rakenneosia kvanttisimulaattoreille