圆形里德伯格原子的艺术描绘：使用光学镊子，可以精确捕捉并排列里德伯格原子，形成受控的原子阵列。
里德堡原子是量子技术里的“巨人”。一个里德堡原子比普通原子大几千倍，外层电子被激发到离原子核极远的轨道上，整个原子膨胀到接近一微米。这种尺寸让它们可以跨越约5微米的距离相互作用——在原子尺度上，这几乎是“隔空喊话”的极限距离。中性原子量子计算机和量子模拟器，正是靠这种长程相互作用来编织量子逻辑。
但巨人也有软肋。里德堡原子极度敏感，任何微小的热辐射、杂散电磁场，都能让那颗悬在远处的电子失去稳定，量子态瞬间瓦解。过去几十年，要让里德堡原子活下来，你必须把它们泡在液氦里，冷却到接近绝对零度，用层层屏蔽隔绝整个世界的电磁躁动。
斯图加特大学第五物理研究所的团队，刚刚在《自然通讯》上报告了三个同时创下的国际纪录：单个里德堡原子的最长寿命、最大的受控圆形里德堡原子、以及光学镊子中最长的储存时间。最关键的是——这一切是在室温下完成的。
圆形里德堡态：让电子绕“赤道”转要理解这个突破，得先认识“圆形里德堡态”的特殊性。
普通里德堡原子的电子轨道是椭圆形的，像一颗被拉长的彗星轨道，电子在近日点附近会快速掠过原子核，那里最容易受到扰动。而圆形里德堡态里，电子被激发到轨道角动量的最大值，轨道接近一个完美的圆，电子始终待在离原子核很远的地方，几乎不靠近核心。
这种“赤道轨道”让电子远离原子核的复杂相互作用，天然更稳定、寿命更长。团队把高度激发的电子制备到圆形里德堡态后，测到了11毫秒的寿命——比自由空间中同类态长了20倍以上。这些原子的电子轨道直径约1.1微米，是普通原子的约一万倍。
他们还用激光镊子把这些原子捕获了133毫秒，创下了此类原子储存时间的新纪录。论文作者之一、博士生埃尼乌斯·普尔蒂内维丘斯说：“这些纪录为让量子模拟器更强大、执行更多计算、以更高精度控制量子系统打开了新的可能。”
室温的诀窍：两块透明导电板真正让这项工令人惊叹的，是它的工作温度。
“我们在室温下取得了这些创纪录的结果，不需要之前必需的昂贵液氦冷却。”论文通讯作者弗洛里安·迈纳特说。
秘密藏在两块透明导电板里。
即使在室温下，房间里的每一个表面都在发射看不见的微波辐射——黑体辐射。这些微波光子虽然能量极低，但足以扰动里德堡原子那根极度脆弱的“电子轨道”，让它在几毫秒内解体。过去，唯一的解法是把整个装置冷却到低温，减少热辐射。
斯图加特团队没有走冷却的老路。他们改进了1980年代提出的一个物理概念：把原子放在两块透明、导电的平板之间，形成一个微波屏蔽腔。这两块板对可见光和激光是透明的，实验人员可以正常用激光操控原子；但对微波辐射，它们像一面镜子，把干扰性的黑体光子挡在外面。
“我们的结果表明，即使在室温下，极其长寿的里德堡原子也是可能的。”迈纳特说。“我们把一个物理学中众所周知的概念，针对现代量子平台进行了完善。”
11毫秒意味着什么？在量子世界里，相干时间就是一切。
量子模拟器要模拟一个复杂材料的行为，需要让原子之间的相互作用持续足够长的时间，才能积累出有意义的量子关联。如果里德堡原子的寿命只有几百微秒，你只能做几步操作，计算深度被死死限制。现在，寿命拉长到11毫秒，储存时间达到133毫秒，量子计算的“时间预算”一下子宽裕了二十倍以上。
这就像一个短跑运动员突然获得了马拉松选手的耐力。以前只能跑一百米，现在可以跑几公里，能做事的空间完全不同。
“中性原子光学镊子是可扩展量子模拟器最有前景的平台之一。”研究所所长蒂尔曼·普法说。“里德堡原子的高稳定性使得量子信息能保存更久，原子间的相互作用能被更精确地控制。研究人员预计，这将使量子计算机能够运行更长时间、错误更少。”
一个室温量子平台的雏形斯图加特大学现在拥有一个全球独一无二的圆形里德堡原子实验平台。它不需要液氦，不需要复杂的低温系统，只需要两块透明导电板和一台激光镊子装置，就能在普通实验室条件下运行。
团队下一步的计划很明确：用这个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。圆形里德堡原子的长寿命和强相互作用，可能让中性原子平台在量子模拟的竞赛中，获得一种此前不具备的工程优势——不需要极低温。
从液氦到室温，从几百微秒到11毫秒，从椭圆形轨道到完美的圆形轨道，斯图加特团队把里德堡原子从脆弱的量子珍禽，变成了一个在普通环境里也能存活几十毫秒的稳健量子积木。当这些“巨型原子”在室温下安静地悬浮在激光镊子中，等待被激发、被纠缠、被测量时，量子技术走出低温实验室的那一天，又近了一步。