[論文レビュー] Scalable phase interference from trapped ion chains

P. Obšil, Adam Lešundák+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Quantum optics and atomic interactions被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、イオン鎖の対称軸に沿って光子を収集することで、捕獲イオン鎖から散乱する光のスケーラブルな位相干渉を示している。最大53イオンまで干渉可視度が維持され、均一な励起に依存するのみであり、将来的な多粒子もつれや quadrature 圧縮の研究が可能になる。

ABSTRACT

We present measurements of phase interference of light scattered from trapped linear ion crystals. The scattered light is collected along the ion string symmetry axis which guarantees the spatial indistinguishability of photons scattered by different ions and allows for convenient scaling of the number of contributing particles. We observe the preservation of the interference visibility with up to 53\,ions limited mostly by the possibility of excitation of all ions with similar saturation parameter in the given excitation configuration. The interference phase is tuned by changing the mutual distance between ions and the observed pattern is qualitatively corresponding to the simple theoretical model. The presented results open the possibility for experimental investigation of the whole range of fundamental physical phenomena, including engineered directional photon emission, direct detection of quadrature squeezing of atomic resonance fluorescence, or optical generation of genuine multi-partite entanglement between a large number of trapped ions.

研究の動機と目的

• 個々のイオンからの散乱光の空間的不相違性を保証することで、直線的イオン結晶から散乱する光のスケーラブルな位相干渉を達成すること。
• イオン数の増加に伴い干渉可視度がどのように維持されるかを調査すること、最大53イオンまでを対象とする。
• イオン間隔を調整することで干渉位相を制御し、量子光学現象を制御可能にする。
• 方向性のある光子放出や真正の多粒子もつれといった、基本的量子現象の実験的探査を可能にする。
• 大規模なイオン鎖における均一な励起の限界が、干渉可視度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 直線的イオン鎖の対称軸に沿って光子を収集することで、個々のイオンからの散乱光の空間的不相違性を保証する。
• 制御された飽和パラメータを有するレーザーで励起される直線的鎖状の捕獲イオン系を用い、均一な励起を維持する。
• 干渉可視度をイオン数および相互イオン間隔の関数として測定し、位相コherーの度合いを調査する。
• 理論的モデリングを用いて、集団的散乱に基づく予測と観測された干渉パターンを定性的に比較する。
• 干渉位相を調整し、理論的枠組みの妥当性を検証するために、イオン間隔を体系的に変化させる。
• 位相コherーの度を保ちつつ、イオン数に応じてスケーラブルな実験設定を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン数の増加に伴い、捕獲イオン鎖から散乱する光の位相干渉が維持可能か？
• RQ2 イオン間の相互距離が観測される干渉パターンおよび位相にどのように影響するか？
• RQ3 大規模なイオン鎖における均一な励起の程度が、干渉可視度にどの程度制限要因となるか？
• RQ4 この系を用いて、集団的原子系におけるエンジニアリングされた方向性光子放出を調べることが可能か？
• RQ5 このような系を用いて、真正の多粒子もつれの光学的生成が現実的に行えるか？

主な発見

• 最大53イオンまで干渉可視度が維持され、大規模なイオン鎖における頑健な位相コherーの度を示している。
• 観測された干渉パターンは単純な理論モデルと定性的に一致しており、実験的手法の妥当性が裏付けられている。
• イオン間隔を調整することで干渉位相を制御可能であり、量子位相の制御が可能であることを示している。
• スケーリングにおける主な制限要因は、すべてのイオンを同じ飽和パラメータで均一に励起できる能力にある。
• イオン鎖の対称軸に沿った光子収集により、散乱光子の空間的不相違性が達成され、スケーラブルな干渉が可能になった。
• 本結果により、大規模な捕獲イオン系における quadrature 圧縮および多粒子もつれの実験的探査への道筋が開かれた。