[論文レビュー] Trapped arrays of alkaline earth Rydberg atoms in optical tweezers

Jack T. Wilson, Samuel Saskin+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 23

ひとこと要約

この論文は、地上状態原子を捕らえるのと同じ赤方へずれ光トラップを用いて、イッソウム原子のRydberg状態を安定して捕らえることを示した。これはYb+イオンコアの誘電率を利用したもので、Rydberg状態のCoherence時間T₂ = 59 μsを達成した。これは捕らえられていない原子の28 μsの寿命を上回り、量子シミュレーションや計算のための長時間相互作用を可能にする。

ABSTRACT

Neutral atom qubits with Rydberg-mediated interactions are a leading platform for developing large-scale coherent quantum systems. In the majority of experiments to date, the Rydberg states are not trapped by the same potential that confines ground state atoms, resulting in atom loss and constraints on the achievable interaction time. In this work, we demonstrate that the Rydberg states of an alkaline earth atom, ytterbium, can be stably trapped by the same red-detuned optical tweezer that also confines the ground state, by leveraging the polarizability of the Yb$^+$ ion core. Using the previously unobserved ripletS series, we demonstrate trapped Rydberg atom lifetimes exceeding $100\,μ$s, and observe no evidence of auto- or photo-ionization from the trap light for these states. We measure a coherence time of $T_2 = 59$ $μ$s between two Rydberg levels, exceeding the 28 $μ$s lifetime of untrapped Rydberg atoms under the same conditions. These results are promising for extending the interaction time of Rydberg atom arrays for quantum simulation and computing, and are vital to capitalize on the extended Rydberg lifetimes in circular states or cryogenic environments.

研究の動機と目的

• Rydberg状態が地上状態と同時に捕らえられていない場合に生じる原子損失による、Rydberg原子アレイの相互作用時間の短さという課題に対処する。
• 赤方へずれ光トラップが通常、Rydberg原子を反発する（負の誘電率による）という根本的制限を克服する。
• Yb+イオンコアの誘電率がRydberg状態にネットの捕らえポテンシャルを提供できることを示し、安定な共捕らえを可能にする。
• 地上状態に捕らえられていない原子よりも、Rydberg重ね合わせのCoherence時間を延長し、高精度な量子操作に不可欠な長時間Coherenceを実現する。
• 冷却環境やキャビティを用いた環境での長寿命Rydberg状態（例えば円形状態）の今後の探索を可能にする。

提案手法

• 赤方へずれ光トラップ内でのRydberg状態の捕らえポテンシャルを、Yb+イオンコアの誘電率を用いて生成し、Rydberg電子の反発的ポンデロモティック力と相殺する。
• Ybで以前に観察されていなかった3S₁ Rydberg系列を活用し、捕らえに適した高n状態にアクセスする。
• 非可換テンソル演算子への分解を用いて、6sコアとnl価電子からの寄与を考慮した捕らえポテンシャルのモデル化を行う。
• RamseyおよびHahnエコー系列を用いてCoherence時間を測定し、光シフトの差異と有限温度による位相崩壊を評価する。
• さまざまな光強度とビーム径の下で、S、P、D Rydberg状態のトラップ寿命とイオン化率を特徴付ける。
• 2光子マイクロ波Rabi分光法を用いて、n=74とn=75の3S₁状態間のCoherent重ね合わせを調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルカリ土族元素のRydberg状態は、地上状態原子を捕らえるのと同じ赤方へずれ光トラップで安定して捕らえられるか？
• RQ2 Yb+イオンコアの誘電率が、Rydberg電子の反発的ポンデロモティック力の克服にどの程度寄与するか？
• RQ3 捕らえられたRydberg準位の重ね合わせのCoherence時間は何か？また、同じ条件下で捕らえられていない原子と比べてどうなるか？
• RQ4 特定のRydberg状態ペアに対して「マジック」捕らえ条件を達成できるか？これにより光シフトの差異が最小限に抑えられるか？
• RQ5 冷却環境やキャビティ強化環境において、長寿命の円形Rydberg状態をこの構成で捕らえることは可能か？

主な発見

• Ybの3S₁系列に属するRydberg状態は、Yb+コア誘電率を用いて赤方へずれ光トラップで安定して捕らえられ、トラップ寿命は100 μsを超える。
• n=74とn=75の3S₁状態の重ね合わせにおける測定Coherence時間T₂ = 59 μsは、同じ条件下で捕らえられていないRydberg原子の28 μsの寿命を上回る。
• S状態においても、10 mW/トラップの条件下でも自己イオン化や光イオン化の兆候は観測されず、トラップ誘導損失は無視できるほど小さい。
• 2つのRydberg状態間の光シフト差は90 kHzで測定され、位相崩壊に寄与し、T₂*の制限要因となっている。これは13 μKの有限温度と整合的である。
• 理論的モデル化により、反発的ポンデロモティック力と引力的コア誘電率のバランスが、n ≈ 60付近でクロスオーバーするネット捕らえポテンシャルを形成することが確認された。
• 高n Yb Rydberg状態の寿命の初回実験的測定と、3S₁系列の初回観測を報告し、将来的な状態に依存しない捕らえやマジック波長条件の研究を可能にする。