[論文レビュー] Ultrafast Creation of Large Schrödinger Cat States of an Atom

K. G. Johnson, J. David Wong-Campos+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、フェムト秒レーザーパルスが誘発するインパulse的で状態依存の力を用いて、1つの 171Yb+ イオンで大規模なシュレーディンガーの猫状態を超高速に生成することを示した。ランプ＝ディックの領域の制約を回避することで、位相空間での分離 Δα ≈ 24（580フォノン）を達成し、36%の忠実度を実現した。さらに、3-, 4-, 6-, 8成分の重ね合わせ状態へと拡張され、捕獲イオンにおけるマクロな量子重ね合わせ状態の迅速かつ高忠実度な準備が可能になった。

ABSTRACT

Mesoscopic quantum superpositions, or Schrödinger cat states, are widely studied for fundamental investigations of quantum measurement and decoherence as well as applications in sensing and quantum information science. The generation and maintenance of such states relies upon a balance between efficient external coherent control of the system and sufficient isolation from the environment. Here we create a variety of cat states of a single trapped atom's motion in a harmonic oscillator using ultrafast laser pulses. These pulses produce high fidelity impulsive forces that separate the atom into widely-separated positions, without restrictions that typically limit the speed of the interaction or the size and complexity of the resulting motional superposition. This allows us to quickly generate and measure cat states larger than previously achieved in a harmonic oscillator, and create complex multi-component superposition states in atoms.

研究の動機と目的

• 捕獲イオンにおける大規模な運動状態の重ね合わせ状態を生成する際のランプ＝ディック領域の制限を克服すること。
• インパルス的レーザーパルスを用いて、ミクロスケールのシュレーディンガーの猫状態を超高速かつ高忠実度で生成すること。
• 単一捕獲イオンの調和運動における3-, 4-, 6-, 8成分の重ね合わせ状態を実証すること。
• 位相空間での大規模な分離（580フォノン以上）を実現しつつ、コherenと測定可能な干渉縞を維持すること。
• 環境との相互作用が重ね合わせを破壊する前に、状態準備を加速することでデコherenceを最小限に抑えること。

提案手法

• フェムト秒レーザーパルスを用いて、ポールトラップ内の 171Yb+ イオンにインパルス的で状態依存の力を与え、急速に運動状態を分離する。
• この手法は、ラーマンパルスのシーケンスと時間遅延操作に依存し、位相空間におけるイオンの波束を一貫してずらすことで、コherent状態の重ね合わせを生成する。
• 状態準備は、制御されたずらしを適用するレーザーパルスのシーケンスにより実装され、位相制御によりマルチコンポーネント重ね合わせを生成する。
• 原子の量子ビットの状態分布における干渉縞を測定することで、猫状態のコherenceと忠実度を特徴づける。
• 理論的モデリングには、ずらし演算子の形式と位相空間表現を用い、明るさとコントラストを予測する。実験データへのフィッティングは、初期状態として平均フォノン数 ¯n = 0.15 の熱状態を仮定した。
• パルスタイミングをイオンの調和運動に同期させ、対称的なマルチコンポーネント重ね合わせを生成し、ラーマンビームの位相を精密に制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザーパルスは、ランプ＝ディック領域を超えて捕獲イオンにおける大規模なシュレーディンガーの猫状態を生成可能か？
• RQ2 インパルス的レーザー力によって、単一捕獲イオンの調和振動子で達成可能な最大の位相空間分離（Δα）はどの程度か？
• RQ3 3-, 4-, 6-, 8成分の重ね合わせ状態が、単一捕獲イオンにおいて一貫して生成され、測定可能か？
• RQ4 大規模な猫状態の忠実度は、分離が増大するに従ってどのように変化するか？主な誤差要因は何か？
• RQ5 レーザービームのずれ、ビーム発散、トラップの非調和性は、干渉縞のコherenceと可視度にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 実験では、位相空間での分離 Δα ≈ 24 を達成し、成分間の最大空間的分離は259 nm に相当し、580フォノンの重ね合わせ状態となった。
• 最大の猫状態の忠実度は36%であり、調和振動子内の単一捕獲イオンで報告された最高値である。
• イオンの運動の特定の位相にレーザーパルスをタイミングすることで、3-, 4-, 6-, 8成分の重ね合わせ状態を生成可能であった。
• パルスの超高速性（1パルス周期あたり Δα = 0.4、約12 ns）のおかげで、急速な状態準備が可能となり、デコherenceの影響を最小限に抑えた。
• 明るさとコントラストの理論的モデリングは実験データと一致し、初期状態として平均フォノン数 ¯n = 0.15（87%の基底状態人口）を仮定したフィッティングが行われた。
• 主な誤差要因には、ビームのずれ（<0.5°、直交モードへの人口漏れ <0.8%）と、基底状態冷却に起因するデータ取得時間の延長（7倍増加）があり、冷却状態とドーピラー冷却状態との間で観測された忠実度の差に寄与している可能性がある。