[논문 리뷰] Ultrafast Creation of Large Schrödinger Cat States of an Atom

K. G. Johnson, J. David Wong-Campos외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 18.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 펌프-빔을 이용한 프로세스를 통해 171Yb+ 이온에서 초고속으로 대규모 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성함을 보여준다. 펌프-빔은 프로세스를 유도하는 상태에 의존하는 힘을 유도하며, 람브-딕케 영역의 제약 조건을 우회함으로써 위상공간 분리 Δα ≈ 24 (580 라이프론)를 달성하였고, 이는 36%의 허상도를 보였다. 이 방법은 3-, 4-, 6-, 8성분 초위상 상태로 확장되며, 포획된 이온에서 거시적 양자 초위상 상태를 빠르고 고정도로 준비할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Mesoscopic quantum superpositions, or Schrödinger cat states, are widely studied for fundamental investigations of quantum measurement and decoherence as well as applications in sensing and quantum information science. The generation and maintenance of such states relies upon a balance between efficient external coherent control of the system and sufficient isolation from the environment. Here we create a variety of cat states of a single trapped atom's motion in a harmonic oscillator using ultrafast laser pulses. These pulses produce high fidelity impulsive forces that separate the atom into widely-separated positions, without restrictions that typically limit the speed of the interaction or the size and complexity of the resulting motional superposition. This allows us to quickly generate and measure cat states larger than previously achieved in a harmonic oscillator, and create complex multi-component superposition states in atoms.

연구 동기 및 목표

• 포획된 이온에서 큰 운동 초위상 상태를 생성할 때 람브-딕케 영역의 제약 조건을 극복하기 위해.
• 충격성 레이저 펄스를 이용해 메조스코픽 슈뢰딩거 고양이 상태를 초고속으로 고정도로 생성하기 위해.
• 단일 포획된 이온에서 조화 운동의 3-, 4-, 6-, 8성분 초위상 상태를 실험적으로 구현하기 위해.
• 위상공간 분리가 매우 크게 (580 라이프론 이상) 이루어지더라도 양자 얽힘과 측정 가능한 간섭 무늬를 유지하기 위해.
• 환경 상호작용이 초위상 상태를 파괴하기 전에 상태 준비를 가속화하여 비가역성을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 패울 트랩에 포획된 171Yb+ 이온에 초고속 펌프-빔 펄스를 적용하여, 상태에 의존하는 충격성 힘을 유도함으로써 빠른 운동 상태 분할을 실현한다.
• 이 방법은 라만 펄스의 순서와 시간 지연된 연산을 이용하여 위상공간에서 이온의 웨이브 패킷을 일관되게 이동시켜, 코herent 상태의 초위상 상태를 생성한다.
• 상태 준비는 제어된 이동을 적용하는 레이저 펄스의 순서를 통해 수행되며, 다성분 초위상 상태를 생성하기 위해 위상 제어가 이루어진다.
• 원자 큐비트의 인구 분포에서 간섭 무늬를 측정하여 고양이 상태의 위상공간 일관성과 허상도를 특성화한다.
• 이론적 모델링은 이동 연산자 형식과 위상공간 표현을 사용하여 빛의 밝기와 대비를 예측하며, 초기 열 상태에서 ¯n = 0.15를 가정하여 실험 데이터에 적합시킨다.
• 레이저 펄스의 타이밍은 이온의 조화 운동에 동기화되어 대칭적인 다성분 초위상 상태를 생성하며, 라만 빔의 위상 제어가 정밀하게 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 레이저 펄스를 통해 람브-딕케 영역을 초월하여 포획된 이온에서 대규모 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 충격성 레이저 힘을 이용해 단일 이온의 조화 진동자에서 얻을 수 있는 최대 위상공간 분리(Δα)는 얼마인가?
• RQ3 3-, 4-, 6-, 8성분의 다성분 초위상 상태가 단일 포획된 이온에서 일관되게 생성되고 측정될 수 있는가?
• RQ4 큰 고양이 상태의 허상도는 분리가 증가함에 따라 어떻게 변화하며, 주요 오차 원인은 무엇인가?
• RQ5 레이저 빔의 정렬 오차, 빔 산산, 트랩의 비조화성은 간섭 무늬의 일관성과 가시성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험적으로 Δα ≈ 24의 위상공간 분리를 달성하였으며, 이는 성분 간 최대 공간 분리 259 nm와 580 라이프론 초위상 상태에 해당한다.
• 가장 큰 고양이 상태의 허상도는 36%로, 단일 포획된 이온에서 조화 진동자에서 보고된 바 중 가장 높은 값이다.
• 이온의 운동 주기의 특정 단계에서 레이저 펄스의 타이밍을 조절함으로써 3-, 4-, 6-, 8성분 초위상 상태를 생성할 수 있었다.
• 초고속 펄스의 특성 덕분에 Δα = 0.4 per 펄스 주기 (~12 ns)를 달성하여 빠른 상태 준비가 가능해져 비가역성이 최소화되었다.
• 빛의 밝기와 대비에 대한 이론적 모델링 결과는 실험 데이터와 잘 일치하였으며, 초기 열 상태 ¯n = 0.15 (87% 기저 상태 인구)를 가정하여 적합하였다.
• 주요 오차 원인은 빔 정렬 오차 (<0.5°, 수직 모드로의 인구 유출 <0.8%)와 기저 상태 냉각으로 인한 데이터 수집 시간 증가(7배 증가)였으며, 이는 냉각된 상태와 도플러 냉각 상태 간의 관측된 허상도 차이에 기여한 것으로 보인다.