[論文レビュー] Microscopy of a scalable superatom

Johannes Zeiher, Peter Schauß+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 40

ひとこと要約

本論文は、2次元モット絶縁体におけるサブショットノイズ精度の局所的操作を用いて、超低温原子を用いたRydberg超原子のスケーラブルな準備とコherent制御を示している。イン・サイト顕微鏡により、1〜185原子の2桁のスケールで集団Rabi結合の$√{N}$スケーリングを確認し、$W$状態におけるもつれを検証した。また、ブロッキング半径付近でブロッキングが崩壊する際、2励起状態の過程が位相破壊を引き起こすことを示した。

ABSTRACT

Strong interactions can amplify quantum effects such that they become important on macroscopic scales. Controlling these coherently on a single particle level is essential for the tailored preparation of strongly correlated quantum systems and opens up new prospects for quantum technologies. Rydberg atoms offer such strong interactions which lead to extreme nonlinearities in laser coupled atomic ensembles. As a result, multiple excitation of a Micrometer sized cloud can be blocked while the light-matter coupling becomes collectively enhanced. The resulting two-level system, often called "superatom", is a valuable resource for quantum information, providing a collective Qubit. Here we report on the preparation of two orders of magnitude scalable superatoms utilizing the large interaction strength provided by Rydberg atoms combined with precise control of an ensemble of ultracold atoms in an optical lattice. The latter is achieved with sub shot noise precision by local manipulation of a two-dimensional Mott insulator. We microscopically confirm the superatom picture by in-situ detection of the Rydberg excitations and observe the characteristic square root scaling of the optical coupling with the number of atoms. Furthermore, we verify the presence of entanglement in the prepared states and demonstrate the coherent manipulation of the superatom. Finally, we investigate the breakdown of the superatom picture when two Rydberg excitations are present in the system, which leads to dephasing and a loss of coherence.

研究の動機と目的

• 超低温原子を用いた光学格子において、1〜185原子の広い原子数範囲でRydberg超原子のスケーラブルかつコherentな制御を達成すること。
• 単一原子分解能を有するイン・サイト検出装置を用いて、超原子像の実験的検証を目的とし、1原子あたりの光学結合の$√{N}$増幅を確認すること。
• 複数Rydberg励起状態の影響による超原子像の崩壊と、それらの位相破壊効果を、より大きな系において調査すること。
• 単一サイト分解能を用いて集団量子ビットのコherentな操作を実施し、$W$状態における多粒子もつれを検出すること。
• van der Waals相互作用と空間相関が、ブロッキング半径を超えた系で位相破壊に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 原子数のサブショットノイズ精度を有する2次元モット絶縁体の準備により、個々の超原子の制御を可能にする。
• 局所的レーザーアドレスによる操作を用い、1〜185原子のサイズで調整可能な正方形形状のRydberg超原子を生成する。
• マイクロメートル未満の分解能を有するイン・サイト単一原子検出により、Rydberg励起状態の分布を直接観察し、$W$状態の構造を検証する。
• 原子数$N$を変化させた集団Rabi振動の測定により、Rabi結合定数$Ω_N$の$√{N}$スケーリングを確認する。
• 単一および二重励起状態のイベントを事後選別することで、2体相互作用に起因する位相破壊の影響を分離する。
• ペア相関関数$C_{i,j}$を用いた空間相関解析により、対角のコーナーで反相関が観測され、局所化した二重励起状態が存在することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rydberg超原子の集団Rabi結合が、原子数の2桁のスケールで$√{N}$に比例するか？
• RQ2 イン・サイト単一原子顕微鏡を用いて、$W$状態における多粒子もつれを検出・検証できるか？
• RQ3 2つのRydberg励起状態の存在が、超原子のRabi振動のコherencyと位相破壊に与える影響は？
• RQ4 超原子像がブロッキング半径に近づいた際に、どの系サイズで崩壊を示すか？
• RQ5 2つのRydberg励起状態間のvan der Waals相互作用が、エネルギーデチューニングを引き起こし、コherencyを低下させる程度は？

主な発見

• イン・サイト測定による高精度検出を経て、1〜185原子の範囲で集団Rabi結合$Ω_N$が$√{N}$に比例することが確認された。
• 対称的かつ拡散したRydberg励起状態の観測により、$W$状態におけるもつれが検証された。空間相関は多粒子もつれと整合的であった。
• $N=185(8)$原子の場合、最大原子間距離$D=9.8(7) \mu\mathrm{m}$がブロッキング半径$R_b=11.7 \mu\mathrm{m}$に近づき、超原子像の観察可能な崩壊が生じた。
• 単一励起状態サブスペースでは位相破壊が顕著に低減され、全サンプルと比較して2倍の減衰時間となった。これは、2励起状態の過程が位相破壊の主因であることを示唆している。
• 空間相関測定により、対角コーナーで反相関が観測され、二重励起状態が正方形格子の反対側に局在化していることが確認された。これは、van der Waals相互作用エネルギー$Δ_{\mathrm{vdW}}$と整合的であった。
• 観測された二重励起状態の割合は、縮小されたヒルベルト空間モデルに基づく理論予測と一致し、時間スケール$π/√{2Ω^2 + Δ_{\mathrm{vdW}}^2}$を示しており、相互作用に起因する位相破壊であることが示された。