里德堡原子是包含有一个或多个具有高主量子数的电子的激发原子。由于它们的大尺寸、长程偶极-偶极相互作用和与外部场的强耦合，这些原子已被证明是一种能发展量子技术的有前途的系统。

尽管具有优势，但物理学家发现光学可访问的里德堡态往往寿命较短，这限制了它们在量子技术中的表现。这个问题的一个可能解决方案是使用具有更长寿命的圆形里德堡态，但在以前，对它们进行光学检测是很困难的。

巴黎文理研究大学、索邦大学、巴黎萨克雷大学和圣卡洛斯联邦大学的研究人员最近展示了使用光脉冲对圆形里德堡态进行相干操纵。该团队在《自然·物理学》上发表的一篇论文中概述了他们的研究成果，这可以为开发用于量子技术的混合光-微波平台开辟新的可能性。

Sébastien Gleyzes是该团队中的一名研究人员，他说：“碱金属原子对里德堡物理学来说很有趣，因为一旦有一个电子处于里德堡态，你仍然可以用激光来操纵原子来产生第二个这样的电子。然而，有一个问题是，如果里德堡电子的‘轨迹’(即它的波函数)过于椭圆，当第二个电子被激光激发时，这两个电子会发生碰撞，从而导致原子电子产生自电离。”

在他们的实验中，Gleyzes和他的同事使用了圆形里德堡态，即里德堡原子的轨迹(波函数)距离离子核有“一圈远”的状态。由于这种圆形结构，当原子内的第二个电子被激发时，它与第一个电子碰撞的可能性很小。

Gleyzes说：“我们最初的目标是证明我们可以在没有原子电离的情况下激发第二个电子。然而，在实验过程中，我们观察到两个圆形里德堡态之间的跃迁频率是不同的，它取决于第二个电子是否处于激发态。”

从本质上讲，研究人员发现，即使里德堡原子内部的两个价电子在圆形里德堡状态下彼此远离，它们仍然可以通过静电力“感觉到彼此的存在”。研究人员还表明，两个电子之间的这种“静电耦合”可用来使用光脉冲相干地操纵圆形里德堡态。

Gleyzes解释说：“在经典图像中，里德堡电子旋转的频率取决于离子核电子的状态(我们称其为‘向上’或‘向下’)。我们在轨道上的给定位置准备了电子，并等待到时间T，这样如果离子核处于‘向下’状态，里德堡电子会进行整数次旋转。为了在光学上改变里德堡电子的状态，我们用激光脉冲瞬时的将离子核电子进入到其他状态(向上)。”

通过将离子核电子转变到第二个所需状态，研究人员减慢了电子的运动，并最终在等待时间结束时(即T)它到达了轨道的另一侧。换句话说，他们能够通过施加或移除激光脉冲来控制里德堡电子的状态(即在轨道的一侧和另一侧间波动)。

Gleyzes说：“我们认为碱金属里德堡原子很有趣，因为一个电子将用于量子过程，另一个电子将用于控制原子的运动(冷却原子或捕获原子)。然而，在我们开展这项研究之前，我们认为它们只会独立的工作。”

该研究小组介绍的光学操纵碱金属圆形里德堡态的方法可以为量子技术的发展开辟更多可能性。事实上，他们的工作首次表明了碱金属里德堡原子内部的两个价电子并不是完全独立的，因此科学家可以利用其中一个来操纵另一个或检测另一个的状态。

Gleyzes补充说：“将离子核电子的荧光性调节到里德堡电子态上的可能性是非常大的，如果人们想要非破坏性地去测量里德堡电子的状态的话。我们团队的长期目标是建立一个基于碱金属原子圆形里德堡态的量子模拟器。”（编译:Qtech）