[논문 리뷰] Trapped arrays of alkaline earth Rydberg atoms in optical tweezers

Jack T. Wilson, Samuel Saskin외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 18.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 루비디움 원자에서 Yb+ 이온 코어의 분극화율을 활용하여 동일한 레드-디튜닝된 광학 트랩을 사용해 라이드버그 상태를 안정적으로 갇는 방법을 보여주며, 이는 기저 상태 원자를 갇는 데 사용되는 동일한 트랩을 기반으로 한다. 이 방법은 라이드버그 상태의 공명 시간 T₂ = 59 μs를 달성하며, 갇히지 않은 원자보다 긴 28 μs의 수명을 초과하여 양자 시뮬레이션과 양자 계산을 위한 장시간 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Neutral atom qubits with Rydberg-mediated interactions are a leading platform for developing large-scale coherent quantum systems. In the majority of experiments to date, the Rydberg states are not trapped by the same potential that confines ground state atoms, resulting in atom loss and constraints on the achievable interaction time. In this work, we demonstrate that the Rydberg states of an alkaline earth atom, ytterbium, can be stably trapped by the same red-detuned optical tweezer that also confines the ground state, by leveraging the polarizability of the Yb$^+$ ion core. Using the previously unobserved ripletS series, we demonstrate trapped Rydberg atom lifetimes exceeding $100\,μ$s, and observe no evidence of auto- or photo-ionization from the trap light for these states. We measure a coherence time of $T_2 = 59$ $μ$s between two Rydberg levels, exceeding the 28 $μ$s lifetime of untrapped Rydberg atoms under the same conditions. These results are promising for extending the interaction time of Rydberg atom arrays for quantum simulation and computing, and are vital to capitalize on the extended Rydberg lifetimes in circular states or cryogenic environments.

연구 동기 및 목표

• 라이드버그 상태가 기저 상태와 함께 갇히지 않을 경우 발생하는 원자 손실로 인한 라이드버그 원자 배열의 짧은 상호작용 시간 문제를 해결한다.
• 일반적으로 라이드버그 원자를 밀어내는 음의 분극화율으로 인해 기초적인 제약을 초래하는 레드-디튜닝된 광학 트랩의 한계를 극복한다.
• Yb+ 이온 코어의 분극화율이 라이드버그 상태에 대한 순수 갇힘 위치를 제공할 수 있음을 입증하여 안정적인 공거주를 가능하게 한다.
• 기저 상태 원자보다 긴 공명 시간을 확보하여 고정밀도 양자 연산에 필수적인 조건을 만족시킨다.
• 냉각 환경 또는 공진자 환경에서 장수명 라이드버그 상태(예: 원형 상태)의 향후 탐색을 가능하게 한다.

제안 방법

• Yb+ 이온 코어의 분극화율을 활용하여, 레드-디튜닝된 광학 트랩 내에서 라이드버그 상태에 대한 갇힘 위치를 생성하며, 라이드버그 전자의 펌더모티브 힘에 의해 발생하는 반발력을 상쇄한다.
• 이전에 관측되지 않았던 Yb의 3S₁ 라이드버그 시리즈를 활용하여 유리한 갇힘 성질을 지닌 고n 상태에 접근한다.
• 6s 코어와 nl 외각 전자 기여를 모두 고려하기 위해 비가역 텐서 연산자 분해를 사용해 갇힘 위치를 모델링한다.
• 라모르 및 하인 에코 시퀀스를 통해 탈조화를 분석하고, 차별적 빛 이동과 유 end 온도의 영향을 평가한다.
• 다양한 광학 출력 및 빔 너비 조건에서 S, P, D 라이드버그 상태의 갇힘 수명과 이온화율을 특성화한다.
• 두 광자 마이크로파 라비 스펙트로스코피를 사용하여 n=74와 n=75 3S₁ 상태 간의 양자 얽힘 상태를 탐측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알칼리 earth 원자에서 라이드버그 상태는 기저 상태 원자를 갇는 데 사용되는 동일한 레드-디튜닝된 광학 트랩에 안정적으로 갇힐 수 있는가?
• RQ2 Yb+ 이온 코어의 분극화율은 라이드버그 전자의 반발력 펌더모티브 힘을 어느 정도 상쇄하는가?
• RQ3 간직된 라이드버그 준위의 초위상 상태의 공명 시간은 얼마이며, 동일 조건에서 갇히지 않은 원자와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 특정 라이드버그 상태 쌍에 대해 '마법의' 갇힘 조건을 달성할 수 있는가? 이는 차별적 빛 이동을 최소화하는 데 기여한다.
• RQ5 냉각 또는 공진자 강화 환경에서 장수명 원형 라이드버그 상태를 이 구성에서 갇는 것은 가능한가?

주요 결과

• Yb의 3S₁ 시리즈에 속하는 라이드버그 상태는 Yb+ 코어의 분극화율을 활용해 레드-디튜닝된 광학 트랩 내에서 안정적으로 갇히며, 갇힘 수명이 100 μs를 초과한다.
• n=74와 n=75 3S₁ 상태의 초위상에 대해 측정된 공명 시간 T₂ = 59 μs는 동일 조건에서 갇히지 않은 라이드버그 원자의 28 μs 수명을 초과한다.
• S 상태에 대해 조차도 10 mW의 광학 출력 조건에서도 자가 또는 광이온화의 증거가 관측되지 않아, 갇힘에 의해 유도되는 손실이 극히 미미하다는 것을 시사한다.
• 두 라이드버그 상태 간의 차별적 빛 이동은 90 kHz로 측정되었으며, 이는 탈조화를 유도하고 T₂*를 제한하는 원인이 되며, 13 μK의 유한한 온도와 일치한다.
• 이론적 모델링은 순수 갇힘 위치가 반발력 펌더모티브 힘과 유도된 코어 분극화율 간의 균형으로 인해 발생하며, 이 균형점은 약 n ≈ 60 근처에서 발생함을 확인한다.
• 고n Yb 라이드버그 상태 수명의 첫 실험 측정과 3S₁ 시리즈의 첫 관측 결과를 보고하며, 향후 상태에 무관한 갇힘 및 마법의 파장 조건 연구를 가능하게 한다.