[논문 리뷰] Observation of Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between an atom and a polar molecule

Alexander Guttridge, Daniel K. Ruttley외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 09.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광 트랩에서 단일 87Rb 원자와 단일 87Rb133Cs 분자 간의 전하-다폴 전기쌍극 상호작용에 의해 유도된 라이드버그 차단 현상을 실험적으로 입증한다. 원자와 분자 간의 거리를 310(40) nm로 제어함으로써, 장거리 상호작용으로 인한 라이드버그 상태에 대한 자극 억제 현상을 관측하였으며, 실험 결과와 아비니시오 상호작용 포텐셜을 사용한 시뮬레이션 간의 뛰어난 일치를 보였다. 이는 하이브리드 양자 정보 처리를 위한 플랫폼을 구축하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We demonstrate Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between a single Rb atom and a single RbCs molecule confined in optical tweezers. The molecule is formed by magnetoassociation of a Rb+Cs atom pair and subsequently transferred to the rovibrational ground state with an efficiency of 91(1)\%. Species-specific tweezers are used to control the separation between the atom and molecule. The charge-dipole interaction causes blockade of the transition to the Rb(52s) Rydberg state, when the atom-molecule separation is set to $310(40)$~nm. The observed excitation dynamics are in good agreement with simulations using calculated interaction potentials. Our results open up the prospect of a hybrid platform where quantum information is transferred between individually trapped molecules using Rydberg atoms.

연구 동기 및 목표

• 단일 초냉각 Rb 원자와 단일 RbCs 분자 간의 전하-다폴 전기쌍극 상호작용에 의해 유도되는 라이드버그 차단 현상을 입증하기 위해.
• 서브 마이크론 정밀도로 종별 광 트랩을 사용하여 원자-분자 간 거리 제어를 정밀하게 수행하기 위해.
• 마이크론 규모 거리에서 1/R² 전하-다폴 상호작용이 강하게 작용한다는 이론적 예측을 검증하기 위해.
• 라이드버그 원자와 극성 분자를 조합한 하이브리드 양자 플랫폼을 구축하여 양자 시뮬레이션 및 정보 처리를 가능하게 하기 위해.
• 실험적 블록다운 동역학과 아비니시오 시뮬레이션 간의 정량적 비교를 통해 상호작용 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 라만 측면대열 냉각과 고형성 상태 준비를 통해 종별 광 트랩에 단일 87Rb 및 133Cs 원자를 준비하였다.
• 이종성 Feshbach 공진선에서의 자성 연합을 통해 단일 RbCs 분자를 형성한 후, 91(1)%의 효율로 라만-진동-회전 기저 상태로의 일관된 광학 전이를 수행하였다.
• 정밀한 트랩 정렬을 통해 원자-분자 간 거리를 310(40) nm로 제어하였으며, 시료 간 변동은 약 50 nm였다.
• 광학적 영상 촬영 및 트랩 점유도에 대한 후처리 선택을 통해 Rb 원자의 52s 라이드버그 상태로의 자극 동역학을 측정하였다.
• 실험적 불완전성(η=0.13, ϵ=0.02, ϵ′=0.06)을 포함한 아디아바틱 해밀토니안을 사용하여 시스템을 시뮬레이션하였다.
• 실험적 생존 확률로의 시뮬레이션된 분포를 보정된 분포 모델(Eq. 11)을 사용하여 준비 및 검출 오차를 보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 원자와 극성 분자 간의 전하-다폴 전기쌍극 상호작용이 마이크론 규모 거리에서 측정 가능한 라이드버그 차단 현상을 유도할 수 있는가?
• RQ2 서브-100 nm 제어 정밀도를 갖는 하이브리드 광 트랩 시스템에서 원자-분자 간 최소 거리는 얼마로 도달할 수 있는가?
• RQ3 실험적 불완전성(준비 오차, 손실, 붕괴)이 관측된 블록다운 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 아비니시오 상호작용 포텐셜이 관측된 에너지 이동과 블록다운 행동을 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ5 이 시스템은 라이드버그 원자를 중계자로 사용하여 분자 간의 양자 정보 전달을 위한 확장 가능한 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 원자-분자 간 거리가 310(40) nm일 때 라이드버그 차단 현상이 관측되어 강한 전하-다폴 전기쌍극 상호작용의 존재를 확인하였다.
• 310 nm에서 전하-다폴 상호작용으로 인한 측정된 에너지 이동은 -25 MHz×h에 도달하였으며, 이는 이론적 예측와 일치하였다.
• 실험적 블록다운 동역학은 아비니시오 상호작용 포텐셜과 실험적 불완전성을 포함한 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였다.
• 자기 연합과 일관된 광학 전이를 통해 분자는 라만-진동-회전 기저 상태로 91(1)%의 효율로 준비되었다.
• 시스템은 준비 오차 13%(η=0.13), 기저 상태 손실 2%(ϵ=0.02), 검출 이전 붕괴 6%(ϵ′=0.06)를 보였으며, 분석에서 모두 보정되었다.
• 라이드버그 자극 억제 현상의 관측은 라이드버그 원자를 이용한 분자 큐비트의 비가역적 제어 및 읽기 가능성을 확인함으로써 하이브리드 양자 시스템에서의 실현 가능성을 입증한다.