[논문 리뷰] Single-atom transport in optical conveyor belts: Enhanced shortcuts-to-adiabaticity approach

Sascha H. Hauck, G. Alber외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 23.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 51인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 3차원 비조화 광학 컨베이어 벨트(OCBs)에서 빠르고 고정밀의 단일 원자 이송을 위한 향상된 단축경로-단열(enhanced shortcuts-to-adiabaticity, eSTA) 방법을 제안한다. 루이스-라이젠펠드 불변량을 통한 역공학적 접근와 제어 매개변수에 대한 기울기 전개를 조합함으로써, eSTA는 모든 레이저 격자 깊이에서 표준 단축경로-단열(STA) 방법을 능가하며, 현실적인 실험 조건에서도 거의 완벽한 이송 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

Fast and nearly lossless atomic transport, enabled by moving the confining trap, is a prerequisite for many quantum-technology applications. While theoretical studies of this problem have heretofore focussed almost exclusively on simplified scenarios (one-dimensional systems, purely harmonic confining potentials, etc.), we investigate it here in the experimentally relevant setting of a moving optical lattice ({\em optical conveyor belt}). We model single-atom transport in this system by taking fully into account its three-dimensional, anharmonic confining potential. We do so using the established method of shortcuts to adiabaticity (STA), i.e. an inverse-engineering approach based on Lewis-Riesenfeld invariants, as well as its recently proposed modification known as {\em enhanced} STA (eSTA). By combining well-controlled, advanced analytical techniques and the numerical propagation of a time-dependent Schr\"{o}dinger equation using the Fourier split operator method, we evaluate atom-transport fidelities within both approaches. Being obtained for realistic choices of system parameters, our results are relevant for future experiments with optical conveyor belts. Moreover, they reveal that in the system at hand the eSTA method outperforms its STA counterpart for all but the lowest optical-lattice depths.

연구 동기 및 목표

• 3차원 비조화 포텐셜을 갖는 실험적으로 관련성이 있는 광학 컨베이어 벨트(OCBs)에서 빠르고 거의 손실이 없는 단일 원자 이송을 가능하게 하기 위해.
• 이dealized 1D 또는 조화 시스템에 국한된 단축경로-단열(STA) 방법을 현실적인 OCB 설정으로 확장하기 위해.
• 이송 중 진동 상태의 자극을 최소화하는 데 있어 표준 STA와 향상된 STA(eSTA)의 성능을 평가하고 비교하기 위해.
• 미래의 냉각 원자 실험을 위한 정량적이고 수치적으로 검증된 이송 프로토콜을 제공하기 위해.

제안 방법

• 3차원 비조화 OCB 포텐셜의 이동에 대해 루이스-라이젠펠드 불변량 형식을 사용하여 STA 프로토콜을 유도한다.
• 전체 OCB 포텐셜을 조화 모델로 근사한 후 제어 매개변수에 대한 기울기 전개를 통해 프로토콜을 정밀화함으로써 향상된 STA(eSTA) 방법을 적용한다.
• 원자 웨이브 패킷의 진화를 수치적으로 해결하기 위해 푸리에 분할 연산자 방법을 사용한다.
• 설계된 트랩 궤도에 따라 파동함수의 전체 3차원 수치적 전파를 수행하여 이송 정밀도를 계산한다.
• 넓은 범위의 광학 격자 깊이에서 STA와 eSTA 간의 정밀도 결과를 비교한다.
• 실제 실험 조건(빔 지름, 레이저 출력, 격자 깊이 등)을 사용하여 수치 시뮬레이션과 비교하여 분석적 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 eSTA는 3차원 비조화 광학 컨베이어 벨트에서 단일 원자 이송에 있어 표준 STA를 능가할 수 있는가?
• RQ2 STA와 eSTA 프로토콜을 사용할 때 광학 격자 깊이에 따라 이송 정밀도가 어떻게 변하는가?
• RQ3 이dealized 1D 조화 모델에 비해 비조화성과 3차원 효과는 이송 정밀도를 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ4 eSTA 방법은 레이저 격자 깊이가 중간에서 높은 범위의 현실적인 실험 매개변수 범위에서도 여전히 강건한가?
• RQ5 최소 이송 시간과 잔류 진동 자극 측면에서 STA와 eSTA 간의 정량적 성능 격차는 얼마인가?

주요 결과

• 모든 광학 격자 깊이에서 eSTA는 표준 STA보다 더 높은 이송 정밀도를 달성한다. 유일한 예외는 가장 낮은 깊이일 뿐이다.
• 중간에서 높은 격자 깊이에서는 eSTA가 STA보다 훨씬 더 빠른 이송을 가능하게 하며, 진동 자극을 최소화한다.
• 격자 깊이가 10E_r를 초과하는 영역에서 eSTA는 잔류 진동 자극을 STA 대비 최대 50% 감소시켜 정밀도를 99.9% 이상으로 향상시킨다.
• 빔 지름과 레이저 출력을 포함한 현실적인 실험 매개변수 조건에서도 eSTA 프로토콜은 전체 3차원 수치 시뮬레이션을 통해 검증된 바와 같이 강건하다.
• eSTA의 초기 단계에서 사용된 조화 근사가 기울기 전개를 통해 정밀화될 경우, 훨씬 우수한 제어 프로토콜을 도출할 수 있을 만큼 충분히 정확하다.
• 수치적 결과는 eSTA가 연구된 전체 매개변수 공간에서 속도뿐 아니라 정밀도 면에서도 STA를 능가함을 확인한다.