[논문 리뷰] Microscopy of a scalable superatom

Johannes Zeiher, Peter Schauß외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 09.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 원자에서 2D 모트 절연체 내에서 부분적 쇄도 노이즈 정밀도로 국소적 조작을 사용하여 라이드버그 초원자를 확장 가능하고 일관성 있는 방식으로 준비하고 제어하는 것을 보여준다. 현장에서의 현미경 관측을 통해 저자들은 1–185원자 범위에서 집합적 라비 결합의 $√{N}$ 스케일링을 확인하고, $W$-상태에서의 얽힘을 검증하며, 블록레이드 반경 근처에서 블록레이드가 붕괴할 때 이중 흥 excitations 과정으로 인해 위상 분산이 발생함을 보여준다.

ABSTRACT

Strong interactions can amplify quantum effects such that they become important on macroscopic scales. Controlling these coherently on a single particle level is essential for the tailored preparation of strongly correlated quantum systems and opens up new prospects for quantum technologies. Rydberg atoms offer such strong interactions which lead to extreme nonlinearities in laser coupled atomic ensembles. As a result, multiple excitation of a Micrometer sized cloud can be blocked while the light-matter coupling becomes collectively enhanced. The resulting two-level system, often called "superatom", is a valuable resource for quantum information, providing a collective Qubit. Here we report on the preparation of two orders of magnitude scalable superatoms utilizing the large interaction strength provided by Rydberg atoms combined with precise control of an ensemble of ultracold atoms in an optical lattice. The latter is achieved with sub shot noise precision by local manipulation of a two-dimensional Mott insulator. We microscopically confirm the superatom picture by in-situ detection of the Rydberg excitations and observe the characteristic square root scaling of the optical coupling with the number of atoms. Furthermore, we verify the presence of entanglement in the prepared states and demonstrate the coherent manipulation of the superatom. Finally, we investigate the breakdown of the superatom picture when two Rydberg excitations are present in the system, which leads to dephasing and a loss of coherence.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 이용한 옵티컬 격자에서 원자 수가 1–185에 이르는 광범위한 범위에서 라이드버그 초원자의 확장 가능하고 일관성 있는 제어를 달성하기.
• 단일 원자 해상도와 현장에서의 검출 설정을 통해 초원자 모형을 실험적으로 검증하기 위해 광학 결합의 $√{N}$ 증폭을 확인하기.
• 다중 라이드버그 흥 excitations와 그들의 위상 분산 효과로 인해 초원자 모형이 붕괴되는 것과 그 원인을 연구하기.
• 단일 사이트 해상도를 사용하여 집합적 큐비트를 일관성 있게 조작하고 $W$-상태에서 다중입자 얽힘을 감지하기.
• 블록레이드 반경을 초월할 경우 반데르발스 상호작용과 공간 상관관계가 위상 분산에 미치는 영향을 정량화하기.

제안 방법

• 원자 수에 대한 부분적 쇄도 노이즈 정밀도로 2차원 모트 절연체를 준비하여 개별 초원자 제어를 가능하게 함.
• 로컬 레이저 조작을 사용하여 크기가 1에서 185까지 조절 가능한 고립된 정사각형 형태의 라이드버그 초원자를 생성함.
• 서브 마이크로미터 해상도의 현장에서 단일 원자 검출을 통해 직접적으로 라이드버그 흥 excitations 분포를 관측하고 $W$-상태의 구조를 확인함.
• 원자 수 $N$ 를 변화시키면서 집합적 라비 진동을 측정하여 라비 결합 속도 $Ω_N$ 의 $√{N}$ 스케일링을 확인함.
• 이중 흥 excitations 이벤트를 사후 선택하여 이중 상호작용으로 인한 위상 분산의 영향을 분리함.
• 쌍-상관관계 함수 $C_{i,j}$ 를 통한 공간 상관관계 분석을 통해 대각선 모서리에서의 반상관관계를 확인하여 국소화된 이중 흥 excitations 를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 초원자의 집합적 라비 결합이 원자 수에서 두 개의 주기 범위에 걸쳐 $√{N}$ 로 스케일링되는가?
• RQ2 현장에서의 단일 원자 현미경을 사용하여 $W$-상태의 다중입자 얽힘을 감지하고 검증할 수 있는가?
• RQ3 두 개의 라이드버그 흥 excitations 가 존재할 경우 초원자의 라비 진동에서 위상 분산과 일관성이 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 초원자 모형이 블록레이드 반경에 가까워질 때 어떤 체계 크기에서 붕괴되는가?
• RQ5 두 라이드버그 흥 excitations 간의 반데르발스 상호작용이 얼마나 위상 분산을 유도하고, 공명 주파수를 얼마나 이격시키는가?

주요 결과

• 현장 측정과 고정밀도 검출을 통해 1에서 185원자 범위에서 집합적 라비 결합 $Ω_N$ 이 $√{N}$ 으로 스케일링됨을 확인함.
• 다양한 원자로 분포된 대칭적이고 확산된 라이드버그 흥 excitations 의 관측을 통해 $W$-상태에서의 얽힘을 검증하였으며, 공간 상관관계는 다중입자 얽힘과 일치함.
• $N=185(8)$ 원자일 때 최대 원자 간 거리 $D=9.8(7) \mu\mathrm{m}$ 가 블록레이드 반경 $R_b=11.7 \mu\mathrm{m}$ 에 가까워져 초원자 모형의 관측 가능한 붕괴가 발생함.
• 단일 흥 excitations 부분공간에서의 위상 분산이 크게 감소하여 전체 샘플보다 두 배 더 긴 감쇠 시간을 보였으며, 이는 이중 흥 excitations 과정이 위상 분산의 주요 원인임을 시사함.
• 공간 상관관계 측정에서 대각선 모서리에서의 반상관관계를 확인하여 이중 흥 excitations 가 정사각형 격자의 반대편 끝에 국소화되어 있음을 확인함. 이는 반데르발스 상호작용 에너지 $Δ_{\mathrm{vdW}}$ 와 일치함.
• 관측된 이중 흥 excitations 비율이 감소된 힐베르트 공간 모델에 기반한 이론 예측과 일치하며, 시간 상수 $π/√{2Ω^2 + Δ_{\mathrm{vdW}}^2}$ 를 통해 상호작용 유도 위상 분산임을 확인함.