[論文レビュー] High-fidelity detection of large-scale atom arrays in an optical lattice

Renhao Tao, Maximilian Ammenwerth+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、反動Sisyphus冷却を用いて、光学格子内に閉じ込められた最大399個のストロンチウム原子の高忠実度（99.9995(3)％）かつ高生存率（99.80(5)％）のイメージングを実現した。これにより、スケーラブルで繰り返し可能な格子・チーブラ・格子間の移行が可能となり、1つの平面に10,000個を超える原子を直接ロードし、量子シミュレーションおよび計算プラットフォームにおける再設定可能で局所的にアドレス可能なリザボアとしての利用が可能になった。

ABSTRACT

Recent advances in quantum simulation based on neutral atoms have largely benefited from high-resolution, single-atom sensitive imaging techniques. A variety of approaches have been developed to achieve such local detection of atoms in optical lattices or optical tweezers. For alkaline-earth and alkaline-earth-like atoms, the presence of narrow optical transitions opens up the possibility of performing novel types of Sisyphus cooling, where the cooling mechanism originates from the capability to spatially resolve the differential optical level shifts in the trap potential. Up to now, it has been an open question whether high-fidelity imaging could be achieved in a "repulsive Sisyphus" configuration, where the trap depth of the ground state exceeds that of the excited state involved in cooling. Here, we demonstrate high-fidelity ($99.971(1)\%$) and high-survival ($99.80(5)\%$) imaging of strontium atoms using repulsive Sisyphus cooling. We use an optical lattice as a pinning potential for atoms in a large-scale tweezer array with up to $399$ tweezers and show repeated, high-fidelity lattice-tweezer-lattice transfers. We furthermore demonstrate loading the lattice with approximately 10000 atoms directly from the MOT and scalable imaging over $>10000$ lattice sites with a combined survival probability and classification fidelity better than $99.2\%$. Our lattice thus serves as a locally addressable and sortable reservoir for continuous refilling of optical tweezer arrays in the future.

研究の動機と目的

• アルカリ土族元素原子において、これまで未踏であった反動Sisyphus冷却の領域で、光学格子内に大規模な原子配列を高忠実度・低損失で検出すること。
• 共通の格子ポテンシャルを用いて、光学チーブラと光学格子間の原子をスケーラブルかつ繰り返し可能に移行可能とする。
• 1つの平面に10,000個を超える原子を直接高密度にロードし、光学チーブラ配列の継続的な補充用に局所的にアドレス可能なリザボアを構築すること。
• 分光的フィードバックと位相最適化を用いて、光学チーブラ配列の強度非均一性を2.2％未満に低減すること。

提案手法

• 689 nmの1S₀–3P₁遷移を用いてストロンチウム原子に対して反動Sisyphus冷却を実施。基底状態が励起状態よりも深く捕獲されるため、冷却メカニズムが反動的であるにもかかわらず、高忠実度のイメージングが可能となった。
• 1040 nmのリバーブレクトドビームを用いて、x方向579(2) nm、y方向1187(18) nmの格子定数を持つ2次元光学格子を形成。チーブラ配列内の原子をピン留めするためのポテンシャルを提供した。
• 520 nmの空間光変調器（SLM）を用いて399サイトの光学チーブラ配列を形成。蛍光イメージングとガウスフィッティングを用いた座標系キャリブレーションにより、格子との高精度な整合を実現した。
• 分光的フィードバックによる微分光シフトの測定を用い、2段階のGerchberg–Saxtonアルゴリズムを用いて位相リトレリーブと振幅等化を実施。これにより、強度非均一性を2.2％未満に低減した。
• 診断用カメラを用いてSLMの効率をキャリブレーションし、位相リトレリーブアルゴリズムにおいて、非一様性補正のため、目標チーブラ振幅を1/√ηで重み付けした。
• 格子とチーブラの共鳴整合性を検証。格子とチーブラの座標軸角度を一致（θ_x^lat = -1.090(0)°、θ_x^tw = -1.0452(2)°）させ、間隔比も設計通り（c_x^tw = 6a_x、c_y^tw = 3a_y）に一致した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基底状態が励起状態よりも深く捕獲される反動Sisyphus冷却条件下でも、高忠実度のイメージングが達成可能か？
• RQ2 共通の光学格子ポテンシャルを用いて、ピン留めと検出の両方の目的で使用可能な、繰り返し可能な高忠実度の格子・チーブラ・格子間移行が可能か？
• RQ3 1つの平面に10,000個を超える原子を直接ロードし、光学チーブラ配列のリザボアとして十分な均一性を持つことができるか？
• RQ4 分光的フィードバックと反復的位相最適化を用いることで、光学チーブラの強度非均一性はどの程度低減可能か？

主な発見

• 反動Sisyphus冷却を用いた光学格子内ストロンチウム原子の1ショットイメージング忠実度が99.9995(3)%に達し、この分野が高忠実度検出に適していることを実証した。
• イメージングプロセス中の原子生存確率が99.80(5)%に達し、検出時の原子損失や加熱が最小限に抑えられていることを示した。
• 繰り返し可能な高忠実度の格子・チーブラ・格子間移行を実現。格子を原子配列のステージングプラットフォームとして再利用可能となった。
• 1つの平面に10,000個を超える原子を直接ロードし、将来的なチーブラ配列の補充用にスケーラブルで局所的にアドレス可能なリザボアを確立した。
• 分光的フィードバックと振幅等化を3回の反復後に、光学チーブラの強度非均一性を2.2％未満に低減。量子制御に適した均一な捕獲を実現した。
• 光学格子とチーブラ配列の間で、座標軸角度の一致が0.05°以内に達し、間隔比も設計通り（c_x^tw = 6a_x、c_y^tw = 3a_y）に一致した。