[論文レビュー] Observation of Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between an atom and a polar molecule

Alexander Guttridge, Daniel K. Ruttley+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

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

ひとこと要約

本論文は、光学トランチュアで捕らえられた1個の87Rb原子と1個の87Rb133Cs分子間の電荷・双極子相互作用によって引き起こされるライドバーグ遮断を実証している。原子と分子の間隔を310(40) nmに制御することで、長距離相互作用によるライドバーグ励起の抑制を観測し、実験とab initio相互作用ポテンシャルを用いたシミュレーションの間で良好な一致が得られた。これは、ハイブリッド量子情報処理のための基盤を確立するものである。

ABSTRACT

We demonstrate Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between a single Rb atom and a single RbCs molecule confined in optical tweezers. The molecule is formed by magnetoassociation of a Rb+Cs atom pair and subsequently transferred to the rovibrational ground state with an efficiency of 91(1)\%. Species-specific tweezers are used to control the separation between the atom and molecule. The charge-dipole interaction causes blockade of the transition to the Rb(52s) Rydberg state, when the atom-molecule separation is set to $310(40)$~nm. The observed excitation dynamics are in good agreement with simulations using calculated interaction potentials. Our results open up the prospect of a hybrid platform where quantum information is transferred between individually trapped molecules using Rydberg atoms.

研究の動機と目的

• 1個の超低温Rb原子と1個のRbCs分子間の電荷・双極子相互作用によって媒介されるライドバーグ遮断を実証すること。
• マイクロメートルスケールの精度で、原子と分子の間隔を精密に制御すること。
• マイクロメートルスケールの距離において、1/R²に比例する強い電荷・双極子相互作用の理論的予測を検証すること。
• ライドバーグ原子と極性分子を組み合わせたハイブリッド量子プラットフォームを構築し、量子シミュレーションや情報処理に応用すること。
• 実験的遮断ダイナミクスとab initioシミュレーションの定量的比較を通じて、相互作用モデルを検証すること。

提案手法

• ラマンサイドバンド冷却とハイパーファイナル状態の準備を用いて、原子種別に特化した光学トランチュアに1個の87Rbと133Cs原子を捕らえた。
• interspecies Feshbach共鳴上での磁気関連を経て、共鳴的光的移行により分子を振動・回転基底状態に形成し、91(1)%の効率を達成した。
• 正確なトランチュアのアライメントを用いて、原子と分子の間隔を310(40) nmに制御した。1回の実験ごとの揺らぎは約50 nmであった。
• 蛍光イメージングとトランチュア占有状態の後選別を用いて、Rb原子の52sライドバーグ状態への励起ダイナミクスを測定した。
• 実験的不確実性（η=0.13, ϵ=0.02, ϵ′=0.06）を組み込んだ、電荷・双極子相互作用と電子-分子散乱を含む断熱ハミルトニアンを用いてシステムをシミュレーションした。
• 実験的生存確率に一致させるために、準備および検出誤差を補正するための修正された集団モデル（式11）を用いて、シミュレートされた集団をマッピングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロメートルスケールの距離において、ライドバーグ原子と極性分子間の電荷・双極子相互作用が、測定可能なライドバーグ遮断を引き起こすか？
• RQ2 マイクロメートルスケールの精度（100 nm未塔）で制御可能なハイブリッド光学トランチュア系において、原子と分子の間隔を最小でどの程度まで縮められるか？
• RQ3 実験的不確実性（準備誤差、損失、崩壊）が観測された遮断ダイナミクスに与える影響はいかほどか？
• RQ4 ab initio相互作用ポテンシャルは、観測されたエネルギーシフトと遮断行動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 この系は、ラジカル原子を中継として用いることで、分子間の量子情報転送にスケーラブルなプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• 原子と分子の間隔が310(40) nmでラジカル遮断が観測され、強い電荷・双極子相互作用の存在が裏付けられた。
• 310 nmでの電荷・双極子相互作用に起因するエネルギーシフトは-25 MHz×hに達し、理論的予測と整合的であった。
• 実験的遮断ダイナミクスは、ab initio相互作用ポテンシャルと実験的不確実性を含むシミュレーションと良好に一致した。
• 磁気関連と共鳴的光的移行を用いて、分子が91(1)%の効率で振動・回転基底状態に準備された。
• 準備誤差は13%（η=0.13）、基底状態での損失は2%（ϵ=0.02）、検出前の崩壊は6%（ϵ′=0.06）であり、解析ですべて補正された。
• ラジカル励起の抑制が観測されたことで、ハイブリッド量子系において、ラジカル原子を用いて分子の量子ビットをコherently制御および読み出す可能性が裏付けられた。