Đột phá lượng tử: Kéo dài thời gian giữ nguyên tử trong bẫy quang học lên hơn 2 giờ

Cải tiến thiết kế cryostat: Tiếp cận quang học đầy đủ mà không cần vỏ bọc lạnh phức tạp

Bí quyết thiết kế chính là tất cả các quang học dùng để chụp ảnh và tạo bẫy đều được đặt bên ngoài buồng thủy tinh, hoạt động ở nhiệt độ phòng trong không khí. Điều này giúp tránh phải chế tạo các thấu kính chịu được chân không, chịu được nhiệt độ cực lạnh và có thể co giãn vì nhiệt. Bản thân buồng thủy tinh nằm trong phần có nhiệt độ phòng của buồng chân không, trong khi chỉ có đầu lạnh nằm sâu bên trong vỏ chân không mới được làm lạnh chủ động .

Điều này có nghĩa là hệ thống vẫn giữ nguyên khả năng tiếp cận quang học đầy đủ — có thể sử dụng các thấu kính khẩu độ số (NA) cao thương mại tiêu chuẩn — với cái giá là không che chắn các nguyên tử khỏi bức xạ vật đen ở nhiệt độ phòng. Các tác giả lưu ý rằng điều này tương thích với các kỹ thuật che chắn vi sóng ở nhiệt độ phòng trong tương lai cho các thí nghiệm trạng thái Rydberg .

Khả năng mở rộng quy mô: Hướng tới các mảng nguyên tử không khuyết tật với hàng chục nghìn nguyên tử

Bài báo đã chỉ ra rõ ràng rằng thời gian giữ bẫy lâu hơn trực tiếp cho phép tạo ra các mảng nguyên tử lớn hơn và được sắp xếp có trật tự. Vì thời gian sắp xếp tỷ lệ thuận với số lượng nguyên tử và xác suất duy trì một mảng không có khuyết tật giảm theo cấp số nhân khi kích thước tăng lên, thời gian giữ bẫy kéo dài hàng giờ sẽ cung cấp đủ thời gian để lắp ráp các cấu hình có trật tự lớn. Với khả năng tiếp cận quang học đầy đủ, cho phép sử dụng các thấu kính có trường nhìn lớn và laser công suất cao cho các mạng quang học thể tích lớn, các tác giả dự báo một hướng đi thực tế để tạo ra các mảng nguyên tử không khuyết tật với vài chục nghìn nguyên tử, và tiềm năng vượt quá 100.000 nguyên tử .

2. Đại học Humboldt Berlin: Bẫy quang tử nano lai sử dụng lực bề mặt

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Humboldt Berlin (nhóm của Giáo sư Arno Rauschenbeutel) đã trình diễn một bẫy quang tử nano lai (hybrid nanophotonic trap) cho các nguyên tử xêsi (cesium) lạnh trong một bản in trước (arXiv:2509.17767, tháng 9 năm 2025) và công bố công trình trên tạp chí Nature Photonics .

Nguyên lý hoạt động

• Bẫy sử dụng các lực bề mặt (tương tác Casimir–Polder cộng với điện tích tĩnh điện trên bề mặt sợi nano) để hút các nguyên tử, trong khi một trường laser sóng biên lệch xanh đơn lẻ cung cấp lực đẩy .
• Điều này thay thế bẫy lưỡng sắc tiêu chuẩn (đỏ + xanh) thường được yêu cầu để giữ nguyên tử trên sợi nano. Điểm cực tiểu của bẫy nằm cách bề mặt sợi nano ~650 nm và có độ sâu ~1 μK .

Hiệu suất chính đã được chứng minh

• Thời gian lưu giữ nguyên tử: 140(9) ms — lâu hơn so với bẫy lưỡng sắc tiêu chuẩn, mặc dù bẫy lai này nông hơn đáng kể .
• Thời gian kết hợp Ramsey: 16,8(2) ms — dài hơn một bậc độ lớn so với các bẫy ống dẫn sóng quang tử nano trước đây, vì các nguyên tử dành phần lớn thời gian ở các vùng có ít ánh sáng, làm giảm sự mất kết hợp do dịch chuyển ánh sáng vi sai .

Ý nghĩa

Công trình này cho thấy các lực bề mặt, thường được coi là một yếu tố gây nhiễu cần được giảm thiểu, có thể được khai thác như một công cụ hữu ích để giữ nguyên tử. Điều này đơn giản hóa các yêu cầu về quang học (cần ít chùm tia laser hơn) và cải thiện đáng kể tính kết hợp, khiến nó trở nên đầy hứa hẹn cho các bộ nhớ lượng tử, các nút mạng lượng tử và các thiết bị lượng tử quang tử nano khác .