物理学家利用电子制造合成维度

　　赖斯物理学家通过强迫原子进入里德堡态，使电子的轨道变大，使原子比正常情况大数千倍，从而创造了原子的合成维度。研究人员利用微波耦合相邻的能级，控制电子如何通过慢（粗线）和快（细线）势垒形成尺寸，设计用来模拟所示分子中的运动。他们期望这一现象将成为量子模拟的一个重要工具。图片来源：Soumya Kanungo
　　我们的空间感并没有延伸到我们熟悉的三维空间之外，但这并不能阻止科学家们玩弄任何超越的东西。
　　莱斯大学的物理学家们正在新的实验中突破空间界限。他们已经学会了控制巨大里德堡原子中的电子，精确到可以创造＂合成维度＂，这是量子模拟.
　　赖斯团队开发了一种技术，通过应用共振微波电场将多个态耦合在一起，从而设计出超冷锶原子的里德堡态。当原子中的一个电子被能量碰撞到激发态超大型化它的轨道使原子比正常的大上千倍。
　　超冷里德堡原子在绝对零度以上约百万分之一度。通过精确而灵活地操纵电子运动，赖斯量子计划的研究人员将晶格状里德堡能级耦合在一起，模拟真实材料的各个方面。这些技术还可以帮助实现在真实三维空间中无法实现的系统，为量子研究创造了一个强大的新平台。
　　水稻物理学家汤姆·基利安、巴里·邓宁和卡登·哈扎德都是该计划的成员，他们与首席作者、研究生索米娅·卡农戈一起，在年发表的一篇论文中详细介绍了这项研究 自然通讯 这项研究建立在基里安和邓宁于2018年首次探索的里德堡原子的基础上。
　　里德堡原子拥有许多规则间隔的量子能级，这些能级可以通过微波耦合，使高激发电子在能级之间移动。在这个＂合成维度＂中的动力学在数学上等同于在真实晶体中晶格位置之间移动的粒子。
　　哈扎德说：＂在一个典型的高中物理实验中，人们可以看到原子发出的光发射线，它们对应于从一个能级到另一个能级的跃迁。＂。＂我们甚至可以用一个非常原始的分光计来观察这个现象：棱镜！
　　他所说的每一个空间都是新的。＂通过发射不同波长的光，我们可以耦合能级，我们可以使能级看起来像粒子一样，在空间中的各个位置之间移动。
　　我们说，用纳米波长的耦合，很难产生，毫米波长的光。
　　＂我们可以建立相互作用，粒子运动的方式，捕捉到一个更复杂系统的所有重要物理现象，＂赖斯物理和天文学教授、威斯自然科学学院院长基里安说。
　　他说：＂真正令人兴奋的事情将是我们将多个里德堡原子聚集在一起，在这个合成空间中产生相互作用的粒子。＂。＂有了这个，我们就可以做在经典计算机上无法模拟的物理，因为它变得非常复杂。＂
　　研究人员通过实现一个名为Su-Schrieffer-Heeger系统的一维晶格来演示他们的技术。为了制造它，他们用激光来冷却锶原子，并用弱耦合和强耦合交替的微波来创造合适的合成景观。第二组激光器被用来激发原子到多个耦合的、高位里德堡态。
　　基里安说，实验揭示了粒子是如何穿过一维晶格运动的，或者在某些情况下，即使它们有足够的能量移动，也会在边缘被冻结。这与可以用拓扑描述的材料特性有关。
　　Kanungo说：＂当使用毫米波耦合里德堡原子态时，控制耦合振幅要容易得多。＂。＂当我们达到1D晶格时，所有的耦合都到位了，我们就可以试着看看将里德堡电子激发到那个合成空间会产生什么样的动力学结果。＂
　　基里安说：＂使用量子模拟器有点像用风洞来隔离你所关心的汽车或飞机更复杂的空气动力学中微小但重要的影响。＂。＂当系统受量子力学支配时，这一点就变得很重要了，在量子力学中，一旦你得到了超过两个粒子和几个自由度，描述发生了什么就变得复杂起来。
　　他说：＂量子模拟器是人们认为在量子信息科学领域投资的早期、有用的工具之一，这项实验结合了目前在研究原子物理的实验室中相当标准的技术。
　　＂所有的技术都是成熟的，＂他说。 ＂你甚至可以想象这几乎是一个人们可以使用的黑匣子实验，因为单个部件非常坚固。＂