[論文レビュー] Dynamical formation of floating Rydberg excitation crystals

Martin Gärttner, Kilian P. Heeg+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、超低温のRydberg原子を連続波の共振外レーザー駆動することで、共鳴励起チャネルを介して浮遊Rydberg励起結晶が動的に形成されることを示しており、系の境界に局在化しない非対称な空間相関と長距離秩序が生じる。この手法により、均一な原子雲から自発的に形成される幾何学的非対称な原子配置を用いて、三原子のCSWAP（Fredkin）ゲートを実現可能となる。

ABSTRACT

The dynamics of a cloud of ultra-cold two-level atoms is studied at off-resonant laser driving to a Rydberg state. We find that resonant excitation channels lead to strongly peaked spatial correlations associated with the buildup of asymmetric excitation structures. These aggregates can extend over the entire ensemble volume, but are in general not localized relative to the system boundaries. The characteristic distances between neighboring excitations depend on the laser detuning and on the interaction potential. These properties lead to characteristic features in the spatial excitation density, the Mandel $Q$ parameter, and the total number of excitations. As an application an implementation of the three-atom CSWAP or Fredkin gate with Rydberg atoms is discussed. The gate not only exploits the Rydberg blockade, but also utilizes the special features of an asymmetric geometric arrangement of the three atoms. We show that continuous-wave off-resonant laser driving is sufficient to create the required spatial arrangement of atoms out of a homogeneous cloud.

研究の動機と目的

• 共振外レーザー駆動下における超低温原子クラウド内での空間的に相関するRydberg励起構造の動的出現を調査すること。
• 共鳴励起チャネルと長距離相互作用が、境界に局在化しない非一様な励起パターンをどのように導くかを理解すること。
• 幾何学的非対称な三原子配置を生成するメカニズムを提示すること。
• 連続波の共振外駆動のみで、Fredkinゲートの実装に必要な空間的配置を生成できることを示すこと。

提案手法

• 超低温の二準位原子クラウドに共振外レーザー駆動を施し、Rydberg励起ダイナミクスを誘発する。
• 共鳴励起チャネルが励起密度における強く鋭い空間相関の主因であると特定する。
• 相互作用ポテンシャルとレーザーの周波数オフセットを調整することで、励起間隔の特徴的な距離を制御する。
• 相関形成の兆候として、空間的励起密度、Mandel Qパラメータ、および総励起数をモニタリングする。
• 系のダイナミクスを解析し、全エンsembles体積にわたり拡張する自己組織的で非対称な励起集団を同定する。
• この手法を応用して、Rydbergブロッキングと幾何学的非対称性を活用する三原子CSWAPゲートの設計を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴励起チャネルは、共振外駆動下のRydberg原子における空間相関パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ2 系の境界に局在化しない状況下で、Rydberg励起間の特徴的な距離は何かによって決定されるか？
• RQ3 連続波の共振外駆動が、Fredkinゲートに必要な非対称な原子配置を自発的に生成可能か？
• RQ4 Mandel Qパラメータと励起数は、相関励起結晶の形成をどのように反映するか？
• RQ5 相互作用ポテンシャルは、励起集団の空間的構造にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 共鳴励起チャネルにより、原子クラウド全体にわたり拡張する非対称な励起構造を形成する強く鋭い空間相関が生じる。
• レーザー周波数オフセットと相互作用ポテンシャルの形を調整することで、励起間の特徴的な距離を制御可能である。
• 励起集団は系の境界に対して局在化せず、浮遊結晶に類似した挙動を示す。
• Mandel Qパラメータと総励起数は、相関励起パターンの形成と明確に関連する特徴を示す。
• 連続波の共振外駆動により、CSWAPゲートの実装に適した非対称な幾何配置への三原子系の自己組織化が可能となる。
• 提案されたゲートメカニズムは、Rydbergブロッキングと幾何学的非対称性を組み合わせており、事前の原子位置の整列を必要としない。