[論文レビュー] Atomtronic circuits: from many-body physics to quantum technologies

Luigi Amico, Dana Anderson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、超低温原子を物質波回路でガイドすることで多体量子物理学を探索し、量子技術を実現するアトムトロニクス回路分野の最新動向をレビューしている。光学的および磁気的ポテンシャルを用いた実験的プラットフォームを詳述し、持続的電流や量子干渉といったコherentな輸送現象を示し、SQUID、トランジスタ、干渉計などのアトムトロニクス素子を用いた量子センシング、量子シミュレーション、量子計算への応用を概説している。

ABSTRACT

Atomtronics is an emerging field that aims to manipulate ultracold atom moving in matter wave circuits for both fundamental studies in quantum science and technological applications. In this colloquium, we review recent progress in matter-wave circuitry and atomtronics-based quantum technology. After a short introduction to the basic physical principles and the key experimental techniques needed to realize atomtronic systems, we describe the physics of matter-waves in simple circuits such as ring traps and two-terminal systems. The main experimental observations and outstanding questions are discussed. We also present possible applications to a broad range of quantum technologies, from quantum sensing with atom interferometry to future quantum simulation and quantum computation architectures.

研究の動機と目的

• アトムトロニクス回路が、基礎的量子多体物理学および新興量子技術のプラットフォームとしての役割を包括的にレビューすること。
• ミクロスコピック回路における超低温原子の理論的モデルと、コherentな輸送および量子効果の実験的実現を結びつけること。
• トランジスタ、ダイオード、バッテリー、SQUID などのアトムトロニクス素子の設計および機能を検討すること。
• アトムトロニクス系が量子シミュレーション、高精度干渉計測定、スケーラブルな量子情報処理に果たす可能性を強調すること。
• 今後の方向性を提示すること。具体的には、フォトニクスおよび超伝導回路との統合、フェルミオンおよびRydberg原子プラットフォームへの拡張を含む。

提案手法

• 静的レーザー、時間平均化場、空間光変調器、原子チップを用いて生成される光学的および磁気的ポテンシャルを活用し、超低温原子を所定の回路形状に閉じ込め、ガイドすること。
• ボソン、フェルミオン、不純物のモデルハミルトニアンを用いて、リング型および二端子系における多体物理学を記述すること。
• ボーズ＝ハッブルモデルやフェルミオンにおけるBCS-BEC遷移を含む理論的枠組みを用いて、ミクロスコピック回路におけるコherentな輸送を分析すること。
• トロイダルトラップにおける持続的電流の実験的実現およびリング凝縮系における二端子コンダクタンスの測定を示すこと。
• 三井井ポテンシャルに基づくトランジスタ、ジョセフソン接合、リング干渉計などのアトムトロニクス素子を導入すること。
• スケーラブルで3次元的な物質波デバイスを実現するため、アトムトロニクス回路をフォトニクスおよび超伝導回路とハイブリッド統合することを提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子は、光学的および磁気的ポテンシャルを用いて物質波回路でどのようにコherentにガイドされるか？
• RQ2 アトムトロニクスリングやミクロスコピック構造において、持続的電流や量子輸送といった多体量子効果の主な兆候は何か？
• RQ3 トランジスタ、ダイオード、SQUID などのアトムトロニクス素子は、それらの電子的類似物に類似した形でどのように実現され、機能するのか？
• RQ4 アトムトロニクス回路は、強い相関系の量子シミュレーションおよび高精度量子センシングにどのように応用可能か？
• RQ5 アトムトロニクス系は、他の量子技術とどのように統合され、スケーラブルで機能的な量子デバイスを実現できるか？

主な発見

• ボソン的トロイダルトラップにおける持続的電流が実験的に観測され、長時間にわたる位相コherー二ティが維持されており、超低温原子系における位相的保護の実証がなされた。
• リング凝縮系における二端子コンダクタンス測定から、量子化されたコンダクタンスステップが観測され、コherentな量子輸送に加え、相互作用および不規則性の影響が示された。
• ジョセフソン接合を用いたリング型幾何構造のアトムトロニクスSQUIDは、磁場および慣性力に対するフラックス依存性干渉パターンを示し、高感度検出が可能である。
• 捕獲されたボーズ＝アインシュタイン凝縮体を用いたコンactなアトムトロニクス干渉計は、慣性力および電磁場に対する感度が向上しており、相位シフトが相対論的時間遅延効果と関連している。
• 三井井ポテンシャルに基づくアトムトロニクストランジスタは、ゲート制御による物質波増幅および発振を示し、高コherー二ティな物質波源の実現に貢献した。
• 理論的提案によれば、フェルミオンおよびRydberg原子を用いた回路は、より高速かつより頑健なアトムトロニクスデバイスを実現可能であり、新たな量子制御能力を有する可能性を秘めている。