[논문 리뷰] Interaction-induced orbital excitation blockade of ultracold atoms in an optical lattice

Waseem Bakr, Philipp M. Preiss외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자 내 초냉각 원자에서 강한 접촉 상호작용이 특정 궤도 상태로의 전이를 억제함으로써 계단형의 흥(excitation) 행동을 유도하는 궤도 흥(excitation) 차단(OEB)을 실험적으로 입증한다. 저자들은 OEB를 활용하여 엔트로피를 고립시키고 제거하는 새로운 알고리즘 냉각 프로토콜을 개발하였으며, 이는 양자 기체를 초저온 엔트로피 수준으로 냉각시킬 수 있게 하여 양자 시뮬레이션 및 확장 가능한 양자 컴퓨팅에 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Interaction blockade occurs when strong interactions in a confined few-body system prevent a particle from occupying an otherwise accessible quantum state. Blockade phenomena reveal the underlying granular nature of quantum systems and allow the detection and manipulation of the constituent particles, whether they are electrons, spins, atoms, or photons. The diverse applications range from single-electron transistors based on electronic Coulomb blockade to quantum logic gates in Rydberg atoms. We have observed a new kind of interaction blockade in transferring ultracold atoms between orbitals in an optical lattice. In this system, atoms on the same lattice site undergo coherent collisions described by a contact interaction whose strength depends strongly on the orbital wavefunctions of the atoms. We induce coherent orbital excitations by modulating the lattice depth and observe a staircase-type excitation behavior as we cross the interaction-split resonances by tuning the modulation frequency. As an application of orbital excitation blockade (OEB), we demonstrate a novel algorithmic route for cooling quantum gases. Our realization of algorithmic cooling utilizes a sequence of reversible OEB-based quantum operations that isolate the entropy in one part of the system, followed by an irreversible step that removes the entropy from the gas. This work opens the door to cooling quantum gases down to ultralow entropies, with implications for developing a microscopic understanding of strongly correlated electron systems that can be simulated in optical lattices. In addition, the close analogy between OEB and dipole blockade in Rydberg atoms provides a roadmap for the implementation of two-qubit gates in a quantum computing architecture with natural scalability.

연구 동기 및 목표

• 광학 격자에 갇힌 소수의 초냉각 원자에서 새로운 형태의 상호작용 차단—궤도 흥 차단(OEB)—을 관찰하는 것.
• 동일한 격자 위치에 있는 원자 간의 위상 일치하는 충돌이 궤도 상태파동함수에 의존하는 접촉 상호작용에 의해 유도되는 차단 효과를 입증하는 것.
• 역행성 OEB 연산에 기반한 알고리즘 냉각 프로토콜을 개발하고 구현하여 양자 기체에서 엔트로피를 고립시키고 제거하는 것.
• OEB와 라이즈버그 원자에서의 드립올 차단 간의 유사성을 활용하여, 양자 정보 처리를 위한 확장 가능한 길을 마련하는 것.

제안 방법

• 동일한 격자 위치에 갇힌 원자들의 다양한 궤도 상태 간 전이를 공명적으로 유도하기 위해 광학 격자 깊이를 시간 주기적으로 변조하는 방법을 사용한다.
• 동일한 위치에 있는 원자 간의 접촉 상호작용을 활용하며, 그 강도는 원자 궤도 상태파동함수의 공간적 겹침에 따라 달라진다.
• 조절 주파수를 상호작용 분리 공명 영역을 가로질러 변화시킬 때 계단형의 흥(excitation) 스펙트럼을 관측하여 OEB 발생을 확인한다.
• OEB 기반의 역행성 양자 연산 시퀀스를 설계하여 엔트로피를 시스템의 일부에 국한시키고, 이후 비가역적 제거 단계를 수행한다.
• OEB와 라이즈버그 원자에서의 드립올 차단 간의 유사성을 기반으로, 확장 가능한 두 큐비트 게이트 아키텍처를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 격자 위치에 있는 초냉각 원자 간 강한 상호작용이 특정 궤도 상태로의 전이를 억제하여 새로운 형태의 차단 현상이 발생할 수 있는가?
• RQ2 조절된 광학 격자에서 궤도 상태파동함수에 의존하는 접촉 상호작용이 흥 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 궤도 흥 차단을 제어적이고 역행성 방식으로 이용하여 양자 기체에서 엔트로피를 고립시키고 제거할 수 있는가?
• RQ4 OEB는 확장 가능한 두 큐비트 양자 게이트 아키텍처를 위한 잠재적 플랫폼으로서 어떤 가능성을 지닐 수 있는가?

주요 결과

• 광학 격자 깊이를 조절하면서 관측된 계단형 흥 스펙트럼은 강한 현장 내 상호작용으로 인한 전이 억제를 나타내며, 궤도 흥 차단(OEB)이 실험적으로 관측됨을 시사한다.
• 차단 현상은 궤도 상태파동함수의 겹침에 따라 강도가 달라지는 접촉 상호작용에 기인하며, 이로 인해 상호작용 분리 공명이 발생한다.
• 역행성 OEB 기반 연산을 활용한 새로운 알고리즘 냉각 프로토콜이 성공적으로 구현되었으며, 엔트로피가 시스템의 일부에 고립됨을 확인하였다.
• 고립된 부분계에서 엔트로피를 비가역적으로 제거함으로써, 양자 기체가 초저온 엔트로피 수준으로 냉각됨을 입증하였다.
• OEB와 라이즈버그 원자에서의 드립올 차단 간의 유사성은 광학 격자 내에서 확장 가능한 두 큐비트 게이트를 실현할 수 있음을 시사한다.