[논문 리뷰] Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array to the 3-D motional ground state

Yicheng K. Bao, Scarlett S. Yu외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 15.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein CondensatesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 광학 트랩 어레이에서 CaF 분자를 라만 사이드밴드 냉각하여 근처 기저 상태 냉각을 구현한다. 평균 운동 상태 수는 $\bar{n}_x=0.16(12)$, $\bar{n}_y=0.17(17)$, $\bar{n}_z=0.22(16)$이며, 3D 운동 기저 상태 확률은 $54\pm 18\%$이다. 이 방법은 고자기장 분리와 해소된 사이드밴드 전이를 통해 효율적인 냉각과 광학 펌핑을 가능하게 하여 양자 응용 분야에서 운동적 위상 분리 현상을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Ultracold polar molecules are promising for quantum information processing and searches for physics beyond the Standard Model. Laser cooling to ultracold temperatures is an established technique for trapped diatomic and triatomic molecules. Further cooling of the molecules to near the motional ground state is crucial for reducing various dephasings in quantum and precision applications. In this work, we demonstrate Raman sideband cooling of CaF molecules in optical tweezers to near their motional ground state, with average motional occupation quantum numbers of $\bar{n}_{x}=0.16(12)$, $\bar{n}_{y}=0.17(17)$ (radial directions), $\bar{n}_{z}=0.22(16)$ (axial direction) and a 3-D motional ground state probability of $54\pm18\%$. This paves the way to increase molecular coherence times in optical tweezers for robust quantum computation and simulation applications.

연구 동기 및 목표

• 광학 트랩 내 초냉각 분자에서 기저 상태에 가까운 냉각을 달성하여 양자 정보 및 정밀 측정 응용 분야에서 운동적 위상 분리 현상을 줄이기 위해.
• 큰 내부 상태 만곡체와 애크 스타크 시프트로 인해 분자에서의 라만 사이드밴드 냉각에 도전하는 문제를 해결하기 위해 고자기장을 사용하여 스핀과 회전 운동량 상태를 분리함으로써 효율적인 냉각을 가능하게 하기 위해.
• 해소된 사이드밴드와 효율적인 광학 펌핑을 통한 강력한 라만 사이드밴드 냉각 시퀀스를 3차원적으로 실현하기 위해.
• 라만 사이드밴드 온도 측정을 통해 최종 운동 상태를 특성화하고, 라비 진동 공명의 위상 유지도를 통해 냉각 성능을 검증하기 위해.
• 특히 축 방향 트랩에서의 열 운동 영향을 최소화하여 분자 큐비트에서 긴 공명 시간을 확보하기 위해.

제안 방법

• 라만 사이드밴드 냉각은 두 단계 사이클을 사용한다: 첫 번째 단계는 운동 양자수를 한 단계 감소시키는 라만 전이를 통해 이루어지고, 두 번째 단계는 운동 상태에 영향을 주지 않고 내부 상태를 재설정하는 광학 펌핑이다.
• 고자기장 (~200 G) 을 적용하여 전자 스핀과 핵 스핀을 회전 운동량에서 분리함으로써 단일 $m_S = -1/2, m_I = -1/2$ 하위공간을 고립시켜 냉각을 단순화한다.
• 라만 전이를 위해 두 개의 반대 방향으로 진행하는 레이저 빔을 사용하며, 波수 차이 $\Delta k$ 를 조절하고, 운동 냉각을 위해 레드 사이드밴드에 터널링되도록 한다. 모든 3차원 방향에서 레이저-핵 스핀 결합 인자 $\eta^R \approx 0.6$ 로 설정된다.
• 광학 펌핑은 $\sigma^+$ 및 $\pi$-편광 빔을 모두 사용하여 어두운 상태에 갇히는 것을 방지하며, $m_N=0$ 상태에 축적되는 것을 피하기 위해 $\pi$-편광 빔을 사용한다.
• 라만 사이드밴드 온도 측정을 통해 운동 상태의 평균 점유 수를 측정한다. 이는 $\Delta n = +1$ 과 $\Delta n = -1$ 전이의 라비 진동 피크 높이 비율을 분석하여 수행된다.
• 운동 상태는 비율 $\alpha = P_-/P_+$ 를 통해 특성화되며, 이로부터 평균 점유 수는 $\bar{n} = \alpha / (1 - \alpha)$ 로 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 내부 수준 구조를 가진 분자에 대해 광학 트랩 내에서 라만 사이드밴드 냉각이 성공적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 3D 광학 트랩 내 CaF 분자에서의 라만 사이드밴드 냉각 후 도달 가능한 운동 온도와 기저 상태 확률은 무엇인가?
• RQ3 고자기장 분리 기법이 분자에서의 라만 사이드밴드 냉각 효율성과 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 라만 사이드밴드 냉각이 라만 라비 진동 간의 위상 유지도에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 냉각 및 측정 시퀀스에서 주요 오차 및 손실 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 횡방향 및 축방향에서 평균 운동 상태 점유 수 $\bar{n}_x = 0.16(12)$, $\bar{n}_y = 0.17(17)$, $\bar{n}_z = 0.22(16)$ 를 달성하여 기저 상태에 매우 가까운 강력한 냉각을 나타낸다.
• 3D 운동 기저 상태 확률은 $54 \pm 18\%$ 로 측정되어 고정밀도로 양자 기저 상태에 도달한 냉각 성공을 입증한다.
• 라만 사이드밴드 온도 측정은 냉각 성능을 확인하며, 측정된 $\alpha = P_-/P_+$ 비율을 통해 각 방향에서 $\bar{n} = \alpha / (1 - \alpha)$ 를 계산할 수 있다.
• RSC 이후 라만 라비 진동은 운동 상태 간에 상당히 향상된 위상 유지도를 보이며, 열 운동에 의한 위상 분리 감소를 나타낸다.
• 마이크로파 전이 및 이미징의 비효율성으로 인해 광학 펌핑 정밀도는 55%로 제한되나, 향후 편광 선택적 광학 펌핑을 통해 이를 향상시킬 수 있다.
• 고자기장의 사용은 불필요한 수준 혼합 및 피하기 어려운 교차점 현상을 효과적으로 억제하여 냉각 상태의 안정적 준비를 가능하게 한다.