[論文レビュー] Cold Matter Assembled Atom-by-Atom

Manuel Endres, Hannes Bernien+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、リアルタイムフィードバックと100個の光学トラップを用いて、50個以上の個別に制御可能な冷たい原子の欠陥のないアレイを組み立てる手法を提示する。原子の単一検出と高速フィードバックにより原子を再配置することで、400 ms未塔で決定的かつスケーラブルな量子アレイを実現し、量子シミュレーションや情報処理に適した長寿命で高精度の量子系を実現する。

ABSTRACT

The realization of large-scale fully controllable quantum systems is an exciting frontier in modern physical science. We use atom-by-atom assembly to implement a novel platform for the deterministic preparation of regular arrays of individually controlled cold atoms. In our approach, a measurement and feedback procedure eliminates the entropy associated with probabilistic trap occupation and results in defect-free arrays of over 50 atoms in less than 400 ms. The technique is based on fast, real-time control of 100 optical tweezers, which we use to arrange atoms in desired geometric patterns and to maintain these configurations by replacing lost atoms with surplus atoms from a reservoir. This bottom-up approach enables controlled engineering of scalable many-body systems for quantum information processing, quantum simulations, and precision measurements.

研究の動機と目的

• 超冷却原子系における確率的トラップ荷電の課題を克服し、大規模量子系のスケーラビリティと忠実度を向上させること。
• 原子1個の検出とフィードバックを用いて、個別に制御可能な冷たい原子の規則的で欠陥のないアレイを決定的に作成する手法を開発すること。
• リザーバーからの原子補充をリアルタイムフィードバックで行うことで、長寿命で高精度の量子アレイを実現すること。
• 中性原子を用いた量子シミュレーション、量子情報処理、高精度測定のためのスケーラブルなプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 真空中に微小トラップアレイを制御可能に生成するため、磁気走査型光デバイス（AOD）によって生成された100個の高精度に焦点を合わせた光学トラップを用いる。
• EMCCDカメラを用いた原子1個の蛍光イメージングにより、1ショット解像度でリアルタイムに個々の原子位置を検出する。
• 空きトラップを特定し、AODを駆動するマルチトーンRF信号の高速制御により、荷電原子をそれらに再配置するフィードバックループを実装する。
• 画像取得（20 ms）、データ転送（9–10 ms）、画像解析（数ミリ秒未塔）、波形生成（1スイープあたり0.2 ms）を含む再配置プロトコルを実施し、周波数スイープごとに3 msのトラップ移動を実行する。
• トラップの崩壊により失われた原子をリザーバーから補充することで、固定サイズで欠陥のないアレイを維持し、アレイの平均寿命を延長する。
• 2つの再配置戦略を適用する：行・列の削除と再配置、および段階的再配置（行単位での再配置）で、フィードバック時間とスケーラビリティを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムフィードバックを用いて、400 ms未塔に50個以上の冷たい原子の欠陥のないアレイを決定的に組み立てることができるか？
• RQ2 原子1個の検出に基づくリアルタイムフィードバックは、光学トラップアレイにおける確率的トラップ荷電に起因するエントロピーをどのように低減するか？
• RQ3 リザーバーに基づく原子補充を用いて、安定して維持可能な欠陥のない配置における原子数の最大値は何か？
• RQ4 荷電効率とトラップ寿命は、このシステムにおける欠陥のないアレイのスケーラビリティと期待されるサイズにどのように影響するか？
• RQ5 この手法により、量子シミュレーションや量子情報処理に適した長寿命で高精度の量子系を実現できるか？

主な発見

• リアルタイムフィードバックと光学トラップを用いて、50個以上の原子の欠陥のないアレイを400 ms未塔で決定的に準備可能である。
• 現在の荷電効率が0.6で、真空制限寿命が約10秒の場合、平均して160個以上の原子が欠陥のない配置に生成可能である。
• 荷電効率を0.9に向上させ、トラップ寿命を60秒に延長すれば、600個を超える欠陥のないアレイが作成可能となる。
• リザーバーからの原子補充により、20原子の欠陥のないアレイの平均寿命が約8秒に延長される。
• リザーバーに基づく補充により、40原子の欠陥のないアレイの平均寿命が約2秒に延長され、その間には通常、リザーバーが枯渇する。
• 実験ではフィードバックループのサイクルレートが5 Hzで動作し、動画記録により欠陥低減とアレイ安定化の有効性が確認された。