[論文レビュー] Quantum logic with molecular ions

Fabian Wolf, Yong Wan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

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ひとこと要約

本論文では、共捕獲された原子イオンと強いクーロン結合を形成する1つの捕獲分子イオンに対して、状態依存の光学ダイポール力によって原子イオンの状態を条件づけて操作することにより、非破壊的で高効率な量子状態検出を実証した。この技術により、MgHの非破壊的スペクトロスコピーが可能となり、10 ms未満で100％に近い検出効率が期待される中で、遷移周波数を1067.74752(53) THzの精度で測定した。

ABSTRACT

Laser spectroscopy of cold and trapped molecular ions is a powerful tool for fundamental physics, including the determination of fundamental constants, the laboratory test for their possible variation, and the search for a possible electric dipole moment of the electron. Optical clocks based on molecular ions sensitive to some of these effects are expected to achieve uncertainties approaching the $10^{-18}$ level. While the complexity of molecular structure facilitates these applications, the absence of cycling transitions poses a challenge for direct laser cooling, quantum state control, and detection. Previously employed state detection techniques based on photo-dissociation or chemical reactions are destructive and therefore inefficient. Here we experimentally demonstrate non-destructive state detection of a single trapped molecular ion through its strong Coulomb coupling to a well-controlled co-trapped atomic ion. An algorithm based on a state-dependent optical dipole force(ODF) changes the internal state of the atom conditioned on the internal state of the molecule. We show that individual states in the molecule can be distinguished by their coupling strength to the ODF and observe black-body radiation-induced quantum jumps between rotational states. Using the detuning dependence of the state detection signal, we implement a variant of quantum logic spectroscopy and improve upon a previous measurement of the $\mathrm{X}^1\Sigma^+(J=1) ightarrow\mathrm{A}^1\Sigma^+(J=0)$ transition in MgH, finding a frequency of 1067.74752(53)THz. We estimate that non-destructive state detection with near 100% efficiency could take less than 10 ms. The technique we demonstrate is applicable to a wide range of molecular ions, enabling further applications in state-controlled quantum chemistry and spectroscopic investigations of molecules serving as probes for interstellar clouds.

研究の動機と目的

• 捕獲された分子イオンの個々の量子状態に対する非破壊的で高忠実度の検出を可能とし、これは量子論的スペクトロスコピーおよび高精度測定に不可欠である。
• 分子イオンにサイクル遷移が存在しないため、直接的なレーザー冷却や状態の読み出しに困難が生じるという課題を克服すること。
• 光分解離反応や化学反応などの破壊的技術を避ける、スケーラブルな状態検出手法の開発。
• 特に、基本定数の検証や電子電気双極子モーメントの測定に向けた、分子遷移周波数測定の精度を向上させること。
• 将来的な量子化学および宇宙空間における分子プローブ研究への応用を可能とする、捕獲された分子イオンを用いた応用分野の開拓。

提案手法

• 1つの分子イオンと1つの原子イオンをポールトラップ内で共捕獲し、両者の間で強いクーロン結合を形成する。
• 原子イオンに状態依存の光学ダイポール力（ODF）を印加し、その状態を分子イオンの内部状態に依存させる。
• 分子イオンの内部状態は、状態依存の蛍光検出によって得られる原子イオンの状態を測定することで推定される。
• ODFの結合強度は分子イオンの内部状態に依存するため、結合強度の差異に基づいて状態の識別が可能となる。
• ブラックボディ放射の影響による回転状態遷移が、検出信号の変化を通じて観測され、量子ジャンプの追跡が可能となった。
• ODFの周波数オフセットをスキャンすることで、系の応答をマッピングし、MgHのX¹Σ⁺(J=1) → A¹Σ⁺(J=0)遷移を測定する量子論的スペクトロスコピーの変種を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クーロン結合した原子イオンを用いて、捕獲された1つの分子イオンの状態を高忠実度で非破壊的に検出することは可能か？
• RQ2 光学ダイポール力の結合強度が分子イオンの内部状態にどのように依存するか。その依存性が状態識別にどの程度寄与するか。
• RQ3 この検出方式を用いて、ブラックボディ放射によって誘発される回転状態間の量子ジャンプを観測・測定できるか。
• RQ4 この量子論的スペクトロスコピーの変種によって、どの程度の精度で遷移周波数測定が可能か。
• RQ5 最適化されたパrameterのもとで、検出効率が100％に近づくことは可能か。これにより、高速で繰り返し可能な測定が可能になるか。

主な発見

• クーロン結合を介した共捕獲された原子イオンを用いた、捕獲された1つの分子イオンに対する非破壊的状態検出が実験的に実証された。
• 分子イオンの内部状態に応じて光学ダイポール力への結合強度が変化するため、検出信号もその状態に依存し、状態識別が可能となった。
• ブラックボディ放射による回転状態間の量子ジャンプが、検出信号の変化を通じて観測され、追跡された。
• MgHのX¹Σ⁺(J=1) → A¹Σ⁺(J=0)遷移が1067.74752(53) THzで測定され、以前の測定結果を改善した。
• 理論的解析により、最適化された条件下では、非破壊的状態検出が10 ms未満で100％に近い効率で達成可能であると示唆された。
• この技術は、幅広い種類の分子イオンに一般化可能であり、将来的には高精度スペクトロスコピーおよび量子化学分野への応用が期待される。