[논문 리뷰] Dynamical formation of floating Rydberg excitation crystals

Martin Gärttner, Kilian P. Heeg외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 라이드버그 원자에 연속파 비공명 레이저 조명을 가함으로써, 공명 전이 채널을 통해 역동적으로 부유하는 라이드버그 진동수 결정이 형성됨을 보여주며, 이는 체계의 경계에 국한되지 않은 비대칭 공간 상관관계와 장거리 질서를 유도한다. 이 방법을 통해 균일한 기체에서 자발적으로 형성된 기하학적 비대칭 원자 배열을 이용해 삼원자 CSWAP(Fredkin) 게이트를 실현할 수 있다.

ABSTRACT

The dynamics of a cloud of ultra-cold two-level atoms is studied at off-resonant laser driving to a Rydberg state. We find that resonant excitation channels lead to strongly peaked spatial correlations associated with the buildup of asymmetric excitation structures. These aggregates can extend over the entire ensemble volume, but are in general not localized relative to the system boundaries. The characteristic distances between neighboring excitations depend on the laser detuning and on the interaction potential. These properties lead to characteristic features in the spatial excitation density, the Mandel $Q$ parameter, and the total number of excitations. As an application an implementation of the three-atom CSWAP or Fredkin gate with Rydberg atoms is discussed. The gate not only exploits the Rydberg blockade, but also utilizes the special features of an asymmetric geometric arrangement of the three atoms. We show that continuous-wave off-resonant laser driving is sufficient to create the required spatial arrangement of atoms out of a homogeneous cloud.

연구 동기 및 목표

• 비공명 레이저 조명 하에서 초냉각 원자 기체 내에서 공간적으로 상관관계진 라이드버그 진동수 구조의 역동적 부상 탐구
• 공명 전이 채널과 장거리 상호작용이 경계에 국한되지 않은 비균일한 진동수 패턴을 어떻게 유도하는지 이해하기
• 양자 게이트 작동에 적합한 기하학적 비대칭 삼원자 배열을 생성하는 메커니즘을 제시하기
• 연속파 비공명 조명만으로도 프레드킨 게이트를 구현하기 위한 필요한 공간 구조를 생성할 수 있는지 보여주기

제안 방법

• 초냉각 이준태 원자 기체에 비공명 레이저 조명을 적용하여 라이드버그 진동수 동역학 유도
• 공명 전이 채널이 진동수 밀도의 강하게 피크를 이룬 공간 상관관계의 주요 원인임을 규명
• 상호작용 잠재력과 레이저 이탈을 조절하여 진동수 간 거리의 특성 체계 제어
• 상관관계 형성의 서명으로서 공간 진동수 밀도, 만델 Q 파라미터, 총 진동수 수 모니터링
• 자기조직화된 비대칭 진동수 집합체가 전체 엔sembles 부피를 뒤덮는지 시스템의 동역학 분석
• 이 방법을 활용해 라이드버그 차단과 기하학적 비대칭성을 동시에 활용하는 삼원자 CSWAP 게이트 설계

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 전이 채널은 비공명 조명 하에서 라이드버그 원자에서 공간 상관관계 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 체계 경계에 국한되지 않은 상황에서 라이드버그 진동수 간의 특성 거리는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 연속파 비공명 조명이 자발적으로 프레드킨 게이트에 필요한 비대칭 원자 배열을 생성할 수 있는가?
• RQ4 만델 Q 파라미터와 진동수 수는 상관관계진 진동수 결정 형성과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 상호작용 잠재력은 진동수 집합체의 공간적 구조를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 공명 전이 채널은 전체 원자 기체에 걸쳐 확장된 비대칭 진동수 구조를 형성하는 강하게 피크를 이룬 공간 상관관계를 유도한다.
• 특성 진동수 간 거리는 레이저 이탈과 상호작용 잠재력의 형태를 조절함으로써 조절 가능하다.
• 진동수 집합체는 체계 경계에 대해 국한되지 않으며, 부유 결정 유사 행동을 나타낸다.
• 만델 Q 파라미터와 총 진동수 수는 상관관계진 진동수 패atters 형성과 관련된 뚜렷한 서명을 나타낸다.
• 연속파 비공명 조명은 삼원자 시스템이 비대칭 기하학으로 자가조직화되어 CSWAP 게이트를 실현하기에 적합한 구조를 가능하게 한다.
• 제안된 게이트 메커니즘은 라이드버그 차단과 기하학적 비대칭성을 결합하여, 사전 정렬된 원자 위치가 필요 없이도 작동 가능하게 한다.