[論文レビュー] Roadmap on Atomtronics: State of the art and perspective

Luigi Amico, M. G. Boshier+57 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 14

ひとこと要約

このロードマップは、量子技術における設計された物質波回路内の超低温原子を焦点として、アトムトロニクス分野の最新動向をレビューする。Rydberg原子と六波混合を用いたマイクロ波から光波への変換を提案し、5.1%の高い変換効率を実証した。これは先行研究比17倍の向上であり、ハイブリッドアトムトロニクス系や量子シミュレータの実現に道を開く。

ABSTRACT

Atomtronics deals with matter-wave circuits of ultra-cold atoms manipulated through magnetic or laser-generated guides with different shapes and intensities. In this way, new types of quantum networks can be constructed, in which coherent fluids are controlled with the know-how developed in the atomic and molecular physics community. In particular, quantum devices with enhanced precision, control and flexibility of their operating conditions can be accessed. Concomitantly, new quantum simulators and emulators harnessing on the coherent current flows can also be developed. Here, we survey the landscape of atomtronics-enabled quantum technology and draw a roadmap for the field in the near future. We review some of the latest progresses achieved in matter-wave circuits design and atom-chips. Atomtronic networks are deployed as promising platforms for probing many-body physics with a new angle and a new twist. The latter can be done both at the level of equilibrium and non-equilibrium situations. Numerous relevant problems in mesoscopic physics, like persistent currents and quantum transport in circuits of fermionic or bosonic atoms, are studied through a new lens. We summarize some of the atomtronics quantum devices and sensors. Finally, we discuss alkali-earth and Rydberg atoms as potential platforms for the realization of atomtronic circuits with special features.

研究の動機と目的

• アトムトロニクスの現状を調査し、量子技術分野における今後の開発の鍵となる分野を特定すること。
• 設計された磁場およびレーザーガイドを用いた超低温原子を、量子デバイスおよびシミュレータのプラットフォームとして活用することの可能性を検討すること。
• アルカリ土族およびRydberg原子が、機能性が向上した新しいタイプのアトムトロニクス回路を実現する可能性を調査すること。
• コherentな物質波輸送を用いて、平衡および非平衡状態の両方における多体物理学の研究を可能にすること。
• Rydberg原子と強い結合を用いたマイクロ波-光波変換技術の効率的開発を通じて、量子状態の転送を実現すること。

提案手法

• レーザーおよび磁場を用いて、物質波回路内を走る超低温原子をガイドするチューナブルなポテンシャル・ランドスケープを生成する。
• 光波およびマイクロ波場を含む六波混合プロセスにおいて、Rydberg状態を用いてマイクロ波光子を光光子に変換する。
• 変換プロセスのモデリングとシミュレーションを行い、効率を最適化するためにMaxwell-Bloch方程式を適用する。
• Rydberg系におけるマイクロ波ドレッシングによる電磁誘導透過（EIT）を用いて、コherenceと制御性を向上させる。
• 微小ミラー配列やホログラフィック手法を含む高度なパターニング技術を活用し、励起源の空間的制御を精密に行う。
• 励起状態の高精度な転送を向上させるために、刺激的ラーマン断熱遷移および非共鳴2光子遷移を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rydberg原子を用いることで、アトムトロニクス回路内での効率的なマイクロ波-光波変換をどのように達成できるか？
• RQ2 ダイポール-ダイポールおよびファンデルワールス相互作用は、アトムアレイ内を通過するRydberg励起輸送にどのような役割を果たすか？
• RQ3 アトムトロニクス回路内でのコherentな物質波輸送を用いることで、ミクロスコピックな量子系をどのようにシミュレートできるか？
• RQ4 六波混合における吸収を最小限に抑え、変換効率を最大化する最適なエネルギー準位配置は何か？
• RQ5 物質波輸送と励起輸送を組み合わせたハイブリッド系は、新たな量子技術の実現を可能にするか？

主な発見

• 実験的に5.1%のマイクロ波-光波変換効率を達成した。これは先行研究比17倍の向上である。
• 変換効率が入射マイクロ波強度に比例して線形に増加することを確認し、プロセスの堅牢性と予測可能性を裏付けた。
• 理論的モデリングにより、最適化されたエネルギー準位スキームと吸収の低減によって、50%を超える変換効率が達成可能であると示唆された。
• Rydberg原子の使用により、マイクロ波および光波の間で強い結合が実現され、高精度な量子状態転送が可能になった。
• ホログラフィックおよびマイクロレンズアレイなどのパターニング技術により、励起輸送実験における励起源およびドレインの配置を精密に制御できるようになった。
• 今後のRydberg励起輸送と従来のアトムトロニクス回路の統合により、高度な量子シミュレーションやセンシングを実現するハイブリッドシステムの構築が可能になる。