[論文レビュー] Roadmap on Atomtronics

Luigi Amico, M. G. Boshier+55 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、人工磁場またはレーザー捕集ポテンシャルを用いた超低温原子を用いることで、コherentな物質波回路を形成する量子技術分野・アトムトロニクスの包括的なロードマップを提示する。原子チップ設計と物質波回路技術の進展をレビューし、量子シミュレーションや高精度センシングへの応用を強調するとともに、アルカリ土族およびリュードバーグ原子が次世代アトムトロニクスデバイスの有望なプラットフォームであると指摘する。

ABSTRACT

Atomtronics is an emerging field of quantum technology dealing with matter-wave circuits of ultra-cold atoms manipulated in magnetic or laser-generated guides of different shapes and intensity. Atomtronic circuits are promised to define quantum networks of new types in which coherent fluids can be feasibly controlled with the know how of the atomic and molecular physics quantum technology. This way, atomtronics can provide the basis for new quantum devices with enhanced precision, control and flexibility. At the same time, new quantum simulators and emulators harnessing coherent current flows can be defined. Here, we survey the atomtronics-enabled quantum technology and we draw a roadmap on the field for the years to come. The latest progress achieved in matter-wave circuits design and atom-chips are reviewed. Atomtronic networks have been used as platforms to study many-body physics in a new way, both at equilibrium and at non-equilibrium. Relevant problems in mesoscopic physics, like persistent currents and quantum transport in circuits of fermionic or bosonic atoms, have been studied with a new twist. We discuss the state of the art and the perspectives for the quantum devices and sensors implied by coherent matter-wave physics principles. Finally, we discuss alkali-earth and Rydberg atoms as great potential platforms for the realization of atomtronic circuits of a new type.

研究の動機と目的

• アトムトロニクス分野の現状を調査し、主な技術的・科学的マイルストーンを特定すること。
• 物質波回路の可能性を明らかにし、新しいタイプの量子ネットワークやデバイスを実現すること。
• コherentな原子電流が、複雑な多体系およびメソスコピックな量子系を模擬する方法を検討すること。
• アルカリ土族およびリュードバーグ原子が次世代アトムトロニクス回路の高度なプラットフォームとして実現可能かどうかを評価すること。
• 量子センシングおよびコherentな原子流体の制御分野における未解決の課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 磁場またはレーザーで生成されたポテンシャルトラップに超低温原子を用い、調整可能な物質波回路を形成すること。
• 原子チップ技術を活用して複雑な幾何学的構造を設計し、コherentな原子電流を制御すること。
• 物質波回路を用いてフェルミ粒子系およびボソン系における非平衡および平衡状態の多体系物理学を模擬すること。
• コherentな電流の流れを活用して、原子回路における量子輸送および持続的電流を研究すること。
• アルカリ土族およびリュードバーグ原子の特徴を活かし、アトムトロニクスデバイスにおける制御性とコherenceの向上を図ること。
• 原子・分子物理学の原則を統合し、スケーラブルな量子デバイスおよびセンサの設計を実現すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子の物質波回路は、どのように設計されればコherentな原子流体を精密に制御できるか？
• RQ2 複雑なアトムトロニクスネットワークの実現を可能にする原子チップ技術の主な進展は何か？
• RQ3 アトムトロニクス回路は、メソスコピック系における非平衡および平衡状態の多体系現象をどのように模擬できるか？
• RQ4 原子回路における持続的電流および量子輸送は、電子回路のそれとどのように異なるか？
• RQ5 アルカリ土族およびリュードバーグ原子は、次世代アトムトロニクスデバイスの開発においてどのような利点を提供するか？

主な発見

• 物質波回路設計および原子チップ製造分野における最近の進展により、制御可能でコherentな原子電流系の実現が可能になった。
• アトムトロニクスネットワークは、平衡状態および非平衡状態の両方における多体系物理学の研究に成功している。
• フェルミ粒子系およびボソン系の原子系における持続的電流および量子輸送は、実験的に実現され、アトムトロニクスプラットフォームで研究されている。
• コherentな物質波物理学は、調整性が高く、新たな量子シミュレーターやエミュレータの開発に強固なフレームワークを提供する。
• アルカリ土族およびリュードバーグ原子は、内部準位構造が豊富で強い相互作用を示すため、次世代アトムトロニクス回路の極めて有望な候補とされている。
• 本分野は、コherentな原子流体を基盤とするスケーラブルな量子デバイスおよびセンサの開発に向けて進展しており、高精度な測定と制御の可能性を秘めている。