[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种利用实时反馈和100个光镊，对超过50个独立控制的冷原子进行无缺陷阵列组装的方法。通过检测单个原子并利用快速反馈重新排列原子，该系统在400毫秒内实现确定性、可扩展的量子阵列，从而实现长寿命、高保真度的量子系统，适用于量子模拟和信息处理。

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.

研究动机与目标

• 为克服超冷原子系统中概率性陷阱装载带来的挑战，该挑战限制了大规模量子系统的可扩展性和保真度。
• 开发一种利用单原子探测和反馈的确定性方法，以创建可单独控制的、无缺陷的规则冷原子阵列。
• 通过实时反馈从储层中替换丢失的原子，实现长寿命、高保真度的量子阵列。
• 展示一种用于中性原子量子模拟、量子信息处理和精密测量的可扩展平台。

提出的方法

• 利用由声光衍射器（AOD）生成的100个高精度聚焦光镊，在真空中创建可调控的微阱阵列。
• 使用EMCCD相机进行单原子荧光成像，实现实时单次分辨的单个原子位置检测。
• 实施一个反馈回路，通过快速控制驱动AOD的多频射频信号，识别空阱并重新定位已装载的原子以填补空位。
• 应用一种重新排列协议，包括图像采集（20毫秒）、数据传输（9–10毫秒）、图像分析（亚毫秒）和波形生成（每扫描0.2毫秒），随后每频率扫描移动阱3毫秒。
• 利用多余原子的储层，通过实时反馈替换因阱衰减而丢失的原子，从而延长阵列的平均寿命。
• 应用两种重新排列策略：行/列删除与重排，以及逐行重新排列，两者均针对反馈时间和可扩展性进行了优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在400毫秒内，利用实时反馈，确定性地组装出超过50个冷原子的无缺陷阵列？
• RQ2 基于单原子探测的实时反馈，如何降低光学镊子阵列中与概率性陷阱装载相关的熵？
• RQ3 利用基于储层的原子替换，最多能稳定维持多少个原子在无缺陷构型中？
• RQ4 装载效率和阱寿命如何影响该系统中无缺陷阵列的可扩展性和预期规模？
• RQ5 该方法能否实现适用于量子模拟和量子信息处理的长寿命、高保真度量子系统？

主要发现

• 该系统利用实时反馈和光镊，在400毫秒内实现了超过50个原子的无缺陷阵列的确定性制备。
• 在当前装载效率为0.6、真空限制寿命约为10秒的条件下，该方法平均可生成超过160个原子的无缺陷构型。
• 若将装载效率提高到0.9，并将阱寿命延长至60秒，将能够实现超过600个原子的无缺陷阵列。
• 通过从储层中补充丢失的原子，20个原子的无缺陷阵列的平均寿命被延长至约8秒。
• 通过基于储层的替换，40个原子的无缺陷阵列的平均寿命被延长至约2秒，此时储层通常已耗尽。
• 实验中反馈回路的循环速率为5 Hz，视频记录证实了缺陷减少和阵列稳定化的有效性。