[논문 리뷰] Scalable phase interference from trapped ion chains

P. Obšil, Adam Lešundák외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 04.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고정된 이온 체인에서 산산이 흩어진 빛의 스케일러블한 위상 간섭을 입자 체인의 대칭축을 따라 광자를 수집하여 공간적으로 구별할 수 없도록 함으로써 구현한다. 최대 53개의 이온까지 간섭의 명료도가 유지되며, 이는 균일한 자극에 의해 제한되며, 향후 다중 입자 얽힘과 대규모 이온 시스템에서의 군집 끼우기 조정의 탐색을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We present measurements of phase interference of light scattered from trapped linear ion crystals. The scattered light is collected along the ion string symmetry axis which guarantees the spatial indistinguishability of photons scattered by different ions and allows for convenient scaling of the number of contributing particles. We observe the preservation of the interference visibility with up to 53\,ions limited mostly by the possibility of excitation of all ions with similar saturation parameter in the given excitation configuration. The interference phase is tuned by changing the mutual distance between ions and the observed pattern is qualitatively corresponding to the simple theoretical model. The presented results open the possibility for experimental investigation of the whole range of fundamental physical phenomena, including engineered directional photon emission, direct detection of quadrature squeezing of atomic resonance fluorescence, or optical generation of genuine multi-partite entanglement between a large number of trapped ions.

연구 동기 및 목표

• 개별 이온으로부터 산산이 흩어진 빛의 스케일러블한 위상 간섭을 확보하기 위해 광자의 공간적 구별 불가능성을 보장함으로써 선형 이온 결정에서의 간섭을 달성하기 위해.
• 이온 수가 증가함에 따라 간섭의 명료도가 유지되는지 조사하기 위해, 최대 53개의 이온까지.
• 이온 간 거리를 조절하여 간섭 위상을 조절함으로써 양자 광학 현상에 대한 제어를 가능하게 하기 위해.
• 방향성 있는 광자 방출과 진정한 다중 입자 얽힘과 같은 기본 양자 현상의 실험적 탐색을 가능하게 하기 위해.
• 큰 이온 체인에서 균일한 자극의 한계가 간섭의 명료도 유지에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 선형 이온 체인의 대칭축을 따라 광자를 수집하여 개별 이온으로부터 산산이 흩어진 빛의 공간적 구별 불가능성을 확보한다.
• 제어된 포화 파ameter를 가진 레이저로 트랩된 이온의 선형 체인을 자극하여 균일한 자극을 유지하는 시스템을 사용한다.
• 간섭의 명료도를 이온 수와 상호 이온 간 거리의 함수로 측정하여 위상 일관성을 탐색한다.
• 이론적 모델링을 사용하여 관측된 간섭 무늬를 집합적 산란 기반 예측과 정성적으로 비교한다.
• 이론적 프레임워크의 검증을 위해 이온 간 거리를 체계적으로 변화시켜 간섭 위상을 조절한다.
• 이론적 프레임워크의 검증을 위해 이온 간 거리를 체계적으로 변화시켜 간섭 위상을 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 수가 증가함에 따라 선형 트랩 이온 체인에서 산산이 흩어진 빛의 간섭이 유지될 수 있는가?
• RQ2 이온 간 상호 거리가 관측된 간섭 무늬와 위상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 큰 이온 체인에서 간섭의 명료도가 균일한 자극의 정도에 얼마나 제한되는가?
• RQ4 이 시스템을 사용하여 집합적 원자 시스템에서 설계된 방향성 광자 방출을 탐색할 수 있는가?
• RQ5 이러한 시스템을 사용하여 진정한 다중 입자 얽힘의 광학적 생성이 가능한가?

주요 결과

• 최대 53개의 이온까지 간섭의 명료도가 유지되어 대규모 이온 체인에서 강력한 위상 일관성이 있음을 시사한다.
• 관측된 간섭 무늬가 단순한 이론 모델과 정성적으로 일치하여 실험적 접근의 타당성을 검증한다.
• 이온 간 상호 거리를 조절하여 간섭 위상을 조절할 수 있어 양자 위상 제어의 가능성을 입증한다.
• 스케일링의 주요 제한 요소는 모든 이온을 유사한 포화 파am터로 균일하게 자극할 수 있는 능력이다.
• 이온 체인의 대칭축을 따라 광자를 수집함으로써 산산이 흩어진 광자의 공간적 구별 불가능성이 달성되어 스케일러블한 간섭이 가능해진다.
• 결과는 대규모 트랩된 이온 시스템에서 군집 끼우기 조정과 다중 입자 얽힘의 실험적 탐색을 위한 길을 열어준다.