[論文レビュー] Zeeman--Insensitive Cooling of a Single Atom to its 2D Quantum Ground State

Pimonpan Sompet, Y. H. Fung+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、磁場の揺らぎに対して敏感でないラマンサイドバンプ冷却技術を提示しており、光学トラップ内の1原子を2次元量子基底状態に近似的に決定的（near-deterministic）に準備することを可能にした。全荷重および冷却プロセスにおける基底状態の忠実度は約0.73に達し、1原子が存在する状況では約0.88の占有度が得られた。この手法は磁場の変動に対して頑健であり、遮蔽を要しない実験装置の構築を可能にし、一様な少数体量子実験の道筋を示している。

ABSTRACT

We combine near--deterministic preparation of a single atom with Raman sideband cooling, to create a push button mechanism to prepare a single atom in the motional ground state of tightly focused optical tweezers. In the 2D radial plane, we achieve a large ground state fidelity for the entire procedure (loading and cooling) of $\sim$0.73, while the ground state occupancy is $\sim$0.88 for realizations with a single atom present. For 1D axial cooling, we attain a ground state fraction of $\sim$0.52. The combined 3D cooling provides a ground state population of $\sim$0.11. Our Raman sideband cooling variation is indifferent to magnetic field fluctuations, allowing wide--spread unshielded experimental implementations. Our work provides a pathway towards a range of coherent few body experiments.

研究の動機と目的

• 光学トラップ内での1原子を量子基底状態に冷却するための、磁場に頑健で、磁場の変動に敏感でない手法の開発。
• 量子シミュレーションや情報処理への応用を想定し、1原子をモーショナル基底状態に高忠実度で準備すること。
• 磁場遮蔽の必要性を排除することで、広範な実験的実装を可能にする。
• スケーラブルな量子技術に適した、ワンタッチ式の1原子準備プロトコルの実証。

提案手法

• 磁場の揺らぎに起因するゼーマンシフトに対して不変となるように設計されたラマンサイドバンプ冷却を用いる。
• 高密度に焦点を合わせた光学トラップへの近似的決定的1原子荷重と、ラマンサイドバンプ冷却を組み合わせる。
• 2次元径方向（2D）と1次元軸方向（1D）の冷却を別々に適用し、基底状態占有度を最適化する。
• 磁場のドリフトに対してもコherenceと冷却効率を維持できる、サイドバンプ冷却の変種を採用する。
• リアルタイムでの基底状態占有度の検証を可能にする1原子検出プロトコルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマンサイドバンプ冷却を、1原子実験において磁場の揺らぎに対して不変にできるか？
• RQ2 このゼーマン不変な手法を用いて、2次元光学トラップ内の1原子を冷却した場合、達成可能な基底状態忠実度はどの程度か？
• RQ3 軸方向1次元冷却と径方向2次元冷却の間で、基底状態占有度の観点から冷却性能に差は生じるか？
• RQ4 この手法は磁場遮蔽なしに実装可能であり、広範な実験的採用を可能にするか？

主な発見

• 2次元径方向冷却では、全荷重および冷却プロセスにおける基底状態忠実度が約0.73に達した。
• 1原子が存在する状況では、基底状態占有度が約0.88に達した。
• 軸方向1次元冷却では、基底状態分率が約0.52に達した。
• 3次元結合冷却では、基底状態占有度が約0.11に達した。
• ラマンサイドバンプ冷却手法は磁場の揺らぎに対して頑健であり、遮蔽を要しない実験的実装を可能にした。
• この技術は、少数体量子実験の今後の発展を支援する、信頼性の高いワンタッチ式の1原子基底状態準備ルートを提供した。