[論文レビュー] Interaction-induced orbital excitation blockade of ultracold atoms in an optical lattice

Waseem Bakr, Philipp M. Preiss+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2011

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

ひとこと要約

この論文は、光格子内の超低温原子において、強い接触相互作用が特定の軌道への遷移を抑制する軌道励起遮断（OEB）を実験的に示した。これにより、段差のような励起特性が生じる。著者らはOEBを活用して、エントロピーを分離・除去する新しいアルゴリズム的冷却プロトコルを実装し、量子ガスを極めて低いエントロピー状態に冷却する。この技術は、量子シミュレーションやスケーラブルな量子計算への応用が期待される。

ABSTRACT

Interaction blockade occurs when strong interactions in a confined few-body system prevent a particle from occupying an otherwise accessible quantum state. Blockade phenomena reveal the underlying granular nature of quantum systems and allow the detection and manipulation of the constituent particles, whether they are electrons, spins, atoms, or photons. The diverse applications range from single-electron transistors based on electronic Coulomb blockade to quantum logic gates in Rydberg atoms. We have observed a new kind of interaction blockade in transferring ultracold atoms between orbitals in an optical lattice. In this system, atoms on the same lattice site undergo coherent collisions described by a contact interaction whose strength depends strongly on the orbital wavefunctions of the atoms. We induce coherent orbital excitations by modulating the lattice depth and observe a staircase-type excitation behavior as we cross the interaction-split resonances by tuning the modulation frequency. As an application of orbital excitation blockade (OEB), we demonstrate a novel algorithmic route for cooling quantum gases. Our realization of algorithmic cooling utilizes a sequence of reversible OEB-based quantum operations that isolate the entropy in one part of the system, followed by an irreversible step that removes the entropy from the gas. This work opens the door to cooling quantum gases down to ultralow entropies, with implications for developing a microscopic understanding of strongly correlated electron systems that can be simulated in optical lattices. In addition, the close analogy between OEB and dipole blockade in Rydberg atoms provides a roadmap for the implementation of two-qubit gates in a quantum computing architecture with natural scalability.

研究の動機と目的

• 超低温原子を光格子に閉じ込めた少数体系において、新たな形の相互作用遮断、すなわち軌道励起遮断（OEB）を観測すること。
• 同じ格子サイト上に存在する原子間のコherentな衝突が、軌道波動関数に依存する接触相互作用によって支配され、遮断効果を引き起こすことを示すこと。
• 可逆的OEB操作に基づくアルゴリズム的冷却プロトコルを開発・実装し、量子ガスからのエントロピーを分離・除去すること。
• OEBとRydberg原子における電気双極子遮断の類似性を基に、量子情報処理のスケーラブルなルートを確立すること。

提案手法

• 同じ格子サイトに閉じ込められた原子の異なる軌道状態間を駆動するため、光格子の深さを時間周期的に変調する。
• 同じサイト上に存在する原子間の接触相互作用を活用し、その強さが原子の軌道波動関数の空間的重なりに依存することを用いる。
• 変調周波数を相互作用に起因するエネルギー準位分裂の共鳴周囲でスイープすることで、段差のような励起スペクトルを観測し、OEBの発現を示す。
• OEBに基づく可逆的量子操作のシーケンスを設計し、エントロピーを系の一部に局在化させ、その後に不可逆的除去ステップを実施する。
• OEBとRydberg原子における電気双極子遮断の類似性を活用し、スケーラブルな2キュービットゲートアーキテクチャを量子計算用に提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子が1つの格子サイトに閉じ込められた状態で強い相互作用が働くと、特定の軌道への遷移が抑制され、新たな形の遮断が生じるか？
• RQ2 接触相互作用の軌道波動関数依存性が、変調された光格子内での励起スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 OEBを用いて、制御的かつ可逆的に量子ガスからのエントロピーを分離・除去することが可能か？
• RQ4 OEBは、量子計算アーキテクチャにおけるスケーラブルな2キュービットゲート実装のための有効なプラットフォームとなる可能性はあるか？

主な発見

• 光格子の深さを変調した際、段差のような励起スペクトルとして実験的に観測された軌道励起遮断（OEB）は、強い局所的相互作用による遷移抑制を示している。
• 遮断は、原子の軌道波動関数の空間的重なりに依存する接触相互作用に起因し、相互作用に起因するエネルギー準位分裂の共鳴が生じる。
• 可逆的OEBに基づく操作を用いた、エントロピーを系の部分に局在化させる新しいアルゴリズム的冷却プロトコルが実証された。
• 局在化された部分系からのエントロピーの不可逆的除去により、量子ガスが極めて低いエントロピー状態に冷却された。
• OEBとRydberg原子における電気双極子遮断の類似性は、光格子内でのスケーラブルな2キュービットゲート実装の可能性を示唆している。