[논문 리뷰] Spin Squeezing by Rydberg Dressing in an Array of Atomic Ensembles

Jacob Hines, S. Rajagopal외 5명|PubMed|2023. 03. 15.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 68인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 200원자 세슘 집합체에서 스트로보스코픽 라이드버그 드레싱을 사용하여 스핀 스트레칭을 구현하며, 계량학적 스트레칭 매개변수 ξ² = 0.77(9)를 달성한다. 펄스형 비공명 319 nm 빛을 적용하여 제어 가능한 단거리 이징 상호작용을 유도함으로써 초과 포isson 손실을 억제하고, 다수의 공간적으로 분리된 집합체에 대해 국소적이고 광학적인 엔트레일먼트 제어를 가능하게 하여 향상된 양자 센싱 및 계량학에 기여한다.

ABSTRACT

We report on the creation of an array of spin-squeezed ensembles of cesium atoms via Rydberg dressing, a technique that offers optical control over local interactions between neutral atoms. We optimize the coherence of the interactions by a stroboscopic dressing sequence that suppresses super-Poissonian loss. We thereby prepare squeezed states of N=200 atoms with a metrological squeezing parameter ξ^{2}=0.77(9) quantifying the reduction in phase variance below the standard quantum limit. We realize metrological gain across three spatially separated ensembles in parallel, with the strength of squeezing controlled by the local intensity of the dressing light. Our method can be applied to enhance the precision of tests of fundamental physics based on arrays of atomic clocks and to enable quantum-enhanced imaging of electromagnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 라인드버그 드레싱을 이용해 공간적으로 분리된 다수의 원자 집합체에서 스핀 스트레칭 상태를 생성하여 더 향상된 양자 계량학을 달성하기.
• 지속적인 드레싱 방법에서 혼란을 유발하는 촉진된 진동 상태(avalanche 효과)로 인한 디코herence 문제를 극복하기.
• 공간적으로 조절된 드레싱 빛 강도를 통해 배열 전역에서 각 위치의 스핀 스트레칭 강도를 국소적으로 광학적으로 제어할 수 있도록 하기.
• 원자 시계 및 필드 센서의 응용을 위해 1차원 마이크로트랩 배열에서 확장 가능한 다중화 엔트레일먼트를 실험적으로 구현하기.
• 높은 대trast를 유지하면서 기술적 노이즈 원천을 최소화하고 계량학적으로 유용한 스트레칭을 달성하기.

제안 방법

• 초과 포isson 손실을 억제하기 위해 비공명 319 nm 빛을 스트로보스코픽 펄스 시퀀스로 적용함으로써, 애벌랜치 진동 상태에 기인한 손실을 억제한다.
• 세슘 원자 간의 초미세 수준에서 |↓⟩ 및 |↑⟩ 상태 간의 이징형 상호작용을 유도하기 위해 |60P₃/₂⟩ 라이드버그 상태에 연결된 라이드버그 드레싱을 사용한다.
• 효과적인 비틀기 강도 Q = ∫χ(t) dt를 校정하기 위해 스피너 에코 시퀀스를 구현함으로써 스트레칭 상호작용의 정밀한 제어를 가능하게 한다.
• 배열 전역에서 레이저 강도를 공간적으로 변화시켜 각 위치의 라비 주파수 Ω를 독립적으로 조절하고, 이에 따라 상호작용 강도를 제어한다.
• 관측된 스트레칭을 기술하기 위해 Nc = 13개의 상호작용하는 이웃 원자 수를 고려한 일축 비틀기 모델을 적용하며, 유한한 기본 대비를 반영한다.
• 오염 물질 원자에 의한 대비 손실과 트랩 유도 위상 불일치를 줄이기 위해 펄스 지속 시간을 τp ≈ 600 ns 이내로 제한한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트로보스코픽 라이드버그 드레싱은 애벌랜치 유도 디코herence를 억제하여 다수의 원자 집합체에서 일관된 스핀 스트레칭을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 공간적으로 분리된 집합체에 걸쳐 국소적이고 광학적인 드레싱 빛 강도 조절이 스핀 스트레칭 강도를 얼마나 정밀하게 조절할 수 있는가?
• RQ3 이 방법을 사용하여 1차원 배열의 200원자 집합체에서 달성 가능한 계량학적 스트레칭 매개변수 ξ²는 얼마인가?
• RQ4 관측된 스트레칭은 일축 비틀기 모델(유한한 이웃 수 기반)에 기반한 이론적 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ5 이 접근법은 3차원 배열으로 확장되어 현재 ξ² ≈ 0.3의 한계를 넘어 더 깊은 스트레칭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 세 개의 공간적으로 분리된 집합체에서 최소 계량학적 스트레칭 매개변수 ξ² = 0.77(9)를 달성하여, 하위-SQL 위상 분산 감소를 입증한다.
• 비틀기 강도 Q가 증가할수록 스트레칭이 증가함을 관측하여, 상호작용 강도에 대한 기대되는 의존성과 일축 비틀기 모델의 타당성을 확인한다.
• 최적의 위상에서 수직 방향의 반스트레칭은 ξ²_max = 0.77(9)에 도달하며, 스핀 스트레칭 이론과 일치하고 강한 양자 얽힘을 나타낸다.
• 관측된 스트레칭은 Nc = 13개의 상호작용 이웃 원자와 소량의 기술적 노이즈(약 3%의 양자 프로젝션 노이즈)를 포함한 모델과 일치한다.
• 펄스 지속 시간을 τp ≈ 600 ns 이내로 제한함으로써 대비 손실을 최소화하였고, 전체 스트로보스코픽 시퀀스를 단축시켜 트랩 유도 위상 불일치를 완화하였다.
• 더 높은 레이저 강도 또는 더 긴 상호작용 시간을 통해 더 강한 스트레칭이 달성될 수 있으며, 밀도 ρ = 2×10¹¹ cm⁻³ 및 Nc ≈ 60인 3차원 시스템에서는 ξ² ≈ 0.09에 도달할 수 있을 것으로 예측된다.