[論文レビュー] Cavity-Mediated Collective Momentum-Exchange Interactions

Chengyi Luo, Haoqing Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、レーザー冷却原子の多体系において、定常波キャビティ内での集団的光子放出・吸収を介して原子が運動量状態を交換する相互作用の初の実験的実現を示した。この相互作用により、全対全のイジング型結合と多体エネルギー・ギャップが生成され、ドーナーブ位相ずれが抑制される。これにより、頑健な量子干渉計測が可能となり、超伝導体や動的ゲージ場といった非典型量子相のシミュレーションへの道が開かれる。

ABSTRACT

Quantum simulation and sensing hold great promise for providing new insights into nature, from understanding complex interacting systems to searching for undiscovered physics. Large ensembles of laser-cooled atoms interacting via infinite-range photon mediated interactions are a powerful platform for both endeavours. Here, we realize for the first time momentum-exchange interactions in which atoms exchange their momentum states via collective emission and absorption of photons from a common cavity mode. The momentum-exchange interaction leads to an observed all-to-all Ising-like interaction in a matter-wave interferometer, which is useful for entanglement generation. A many-body energy gap also emerges, effectively binding interferometer matter-wave packets together to suppress Doppler dephasing, akin to Mössbauer spectroscopy. The tunable momentum-exchange interaction provides a new capability for quantum interaction-enhanced matter-wave interferometry and for realizing exotic behaviors including simulations of superconductors and dynamical gauge fields.

研究の動機と目的

• キャビティ媒金機構を用いて、レーザー冷却原子の多体系における運動量交換相互作用を実現すること。
• 集団的光子交換を通じて、物質波干渉計において全対全のイジング型相互作用を実証すること。
• モースバウアー分光法に類似した多体エネルギー・ギャップの出現により、ドーナーブ位相ずれを抑制すること。
• 内部スピン自由度を超えて運動量空間にまで相互作用を拡張することで、量子センシングとシミュレーションの新たな能力を実現すること。
• 合成次元の生成や、トポロジカル超流動体や動的ゲージ場といった非典型量子相を生成する可能性を探索すること。

提案手法

• 定常波光学キャビティを用いて、異なる運動量状態（$p_0 \pm \hbar k$）に存在する原子間で、集団的光子放出・吸収を介した運動量交換相互作用を媒介した。
• Brillouinパルスを駆動し、サイドバンド結合を介して運動量状態遷移を可能にするために、周波数チープドで2トーンのレーザー光ビーム（$\omega_z/2\pi$ の間隔）を用いた。
• プローブレーザーをキャビティ共鳴周波数から77 MHzのずれに安定化し、ドレスドキャビティ共鳴周波数から3 MHzずれたサイドバンドを確保することで、高精度なラビ回転を実現した。
• 原子の自由落下に起因するドーナーブシフトを補償するため、25.11 kHz/msの線形周波数チープを適用し、干渉計シーケンス中における共鳴条件を維持した。
• 初期状態の準備には、速度選択的ラーマン遷移とマイクロ波$\pi$パルスを用い、原子を$|F=2, m_F=2, p_0 - \hbar k\rangle$状態に準備した。
• ラーマン遷移と状態依存性のブロー・アウェイレーザーを用いて、運動量状態$p_0 \pm \hbar k$および$p_0 \pm 3\hbar k$における状態数の非破壊的量子非破壊（QND）測定プロトコルを実装した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ媒金光子交換を介して、レーザー冷却原子の多体系において運動量交換相互作用を実現できるか？
• RQ2 集団的運動量交換相互作用は物質波干渉計においてどのように現れ、その有効ハミルトニアンは何か？
• RQ3 多体エネルギー・ギャップの出現が、干渉計におけるドーナーブ位相ずれをどの程度抑制するか。また、モースバウアー効果やランブ＝ディック効果と比べてどのように異なるか？
• RQ4 内部原子状態を含まずに、運動量のみの基底で集団的XXヘイゼンベルクモデルをこのプラットフォームでシミュレートできるか？
• RQ5 合成運動量次元を用いて、トポロジカル超流動体や動的ゲージ場といった非典型量子相を実現するための可能性は何か？

主な発見

• 実験により、キャビティ媒金運動量交換相互作用が成功裏に実現され、物質波干渉計において有効な全対全のイジング型結合が得られた。
• 運動量交換相互作用により、磁化依存の全運動量スピンのねじれ（OAT：One-axis Twisting）が誘発され、相互作用の集団的性質が確認された。
• 多体エネルギー・ギャップが出現し、単粒子的ドーナーブ位相ずれが抑制された。これはモースバウアー分光法に類似しているが、メカニズムが異なる。
• 大きな周波数ずれ（$3~\text{MHz} \gg \kappa$）によるノイズ抑制のおかげで、ブリルアンパルスの測定精度が95％以上を維持し、頑健な量子干渉計測が実現された。
• QNDプロトコルを用いて、運動量状態$p_0 \pm \hbar k$および$p_0 \pm 3\hbar k$における状態数を高精度で測定し、運動量交換過程における残存するスーパー放射性の存在が確認された。
• このプラットフォームにより、内部状態を含まずに運動量のみの基底で集団的XXヘイゼンベルクハミルトニアンを実現可能となり、2準位系を超えた量子シミュレーションの新たな道が開かれた。