[論文レビュー] Microwave-engineering of programmable XXZ Hamiltonians in arrays of Rydberg atoms

P. Scholl, H. J. Williams+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、個別に捕足されたRydberg原子の1次元および2次元配列において、マイクロ波駆動を用いたプログラマブルなXXZスピンハミルトニアンの工学的実現を示している。反対のパリティを持つRydberg状態（|nS⟩と|nP⟩）を共鳴的に結合する周期的マイクロ波場を適用することで、XXZモデルにおける調整可能な異方性を実現し、ドメイン壁の融解や磁化の凍結といったコherentなスピンダイナミクスを可能にした。実験と、パルス誤差モデルを含むシミュレーションとの間で定量的な一致が得られた。

ABSTRACT

We use the resonant dipole-dipole interaction between Rydberg atoms and a periodic external microwave field to engineer XXZ spin Hamiltonians with tunable anisotropies. The atoms are placed in 1D and 2D arrays of optical tweezers, allowing us to study iconic situations in spin physics, such as the implementation of the Heisenberg model in square arrays, and the study of spin transport in 1D. We first benchmark the Hamiltonian engineering for two atoms, and then demonstrate the freezing of the magnetization on an initially magnetized 2D array. Finally, we explore the dynamics of 1D domain wall systems with both periodic and open boundary conditions. We systematically compare our data with numerical simulations and assess the residual limitations of the technique as well as routes for improvements. The geometrical versatility of the platform, combined with the flexibility of the simulated Hamiltonians, opens exciting prospects in the field of quantum simulation, quantum information processing and quantum sensing.

研究の動機と目的

• 自然に実装可能なスピンモデルを超えた量子シミュレーション能力の拡張を図り、XXZハミルトニアンにおける異方性の動的調整を可能にすること。
• 従来のガス系システムの制限を克服し、秩序立てられ、個別にアドレス可能なRydberg原子アレイを用いて、高精度でコherentなダイナミクスを実現すること。
• 制御された不備を伴う少数体および多数体の領域において、マイクロ波駆動工学的手法のベンチマークと検証を実施すること。
• 開放的境界条件および周期的境界条件の下で、1次元および2次元幾何配置におけるコherentなスピン輸送および磁化ダイナミクスを調査すること。
• 実験データと、現実的なパルス誤差および有限パルス幅効果を含む数値シミュレーションを体系的に比較すること。

提案手法

• 反対パリティ状態（|nS⟩および|nP⟩）にあるRydberg原子間の共鳴双極子-双極子相互作用を用いて、有効なスピン1/2相互作用を実現すること。
• |nS⟩と|nP⟩状態間の遷移周波数に一致する周期的マイクロ波場を印加し、ラビ振動を駆動することで、有効なスピン相互作用を誘導すること。
• 平均ハミルトニアン理論を用いて、駆動系から調整可能な異方性を有する有効なXXZハミルトニアンを導出すること。
• 高速スイッチングおよび場強度の不均一性に起因するパルス誤差を最小限に抑えるために、ガウス形状のマイクロ波パルスを採用すること。
• シミュレーションに現象的パルス誤差モデルを組み込み、各パルス回転をランダムな角度ずれΔθ = 0.06 ± 0.01ラジアンで摂動すること。
• 有限のラビ周波数を用いた数値シミュレーションを実施し、パルス幅の影響がターゲットXXXハミルトニアンへの忠実度に与える影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トラップ内のRydberg原子に対するマイクロ波駆動は、XXZスピンハミルトニアンにおける調整可能な異方性を実現可能か？
• RQ2 パルス不備および有限パルス幅は、多数体系におけるエンジニアリングされたXXZハミルトニアンの忠実度にどのように影響するか？
• RQ3 マイクロ波駆動によるハミルトニアンは、1次元鎖におけるドメイン壁の融解といったコherentなスピンダイナミクスを正確に再現可能か？
• RQ4 2次元Rydbergアレイにおいてマイクロ波駆動を施した場合の磁化ダイナミクスの挙動は何か？初期磁化の凍結が観測されるか？
• RQ5 パルス誤差および有限パルス幅を含むシミュレーションは、1次元および2次元幾何配置において実験観測とどの程度一致するか？

主な発見

• 共鳴双極子-双極子相互作用を介して、マイクロ波駆動による調整可能な異方性を有するXXZハミルトニアンが、Rydberg原子の1次元および2次元アレイで成功裏に実現された。
• 2原子系の実験データは、パルス誤差（Δθ = 0.06 ± 0.01 rad）を含むシミュレーションと良好に一致し、パルス不備の役割が確認された。
• 2次元アレイでは、初期磁化が時間経過とともに凍結することが観測され、マイクロ波駆動下でのXXZモデルに対する理論的予測と整合的であった。
• 1次元ドメイン壁系では、周期的境界条件および開放的境界条件の両方が実現され、実験とパルス誤差を含むシミュレーションとの間で良好な一致が得られた。
• シミュレーションから、ラビ周波数を4倍にすることで（パルス幅を短くすることで）、ターゲットXXXハミルトニアンへの忠実度がほぼ完全に達成可能であることが明らかになった。これは、有限パルス幅が主な制限要因であることを示唆している。
• 実験と理想シミュレーションとの乖離は、主にマイクロ波パルス誤差に起因しており、有限パルス幅の影響ではないことが、比較的シミュレーションにより確認された。