[论文解读] Dynamical formation of floating Rydberg excitation crystals

Martin Gärttner, Kilian P. Heeg+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文展示了对超冷里德堡原子进行连续波非共振激光驱动，可通过共振激发通道诱导动态形成漂浮里德堡激发晶体，产生非对称的空间关联和长程序，且不局限于系统边界。该方法可借助从均匀原子云中自发形成的几何非对称原子排布，实现三原子CSWAP（Fredkin）量子门。

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.

研究动机与目标

• 探索在非共振激光驱动下，超冷原子云中空间相关里德堡激发结构的动力学涌现。
• 理解共振激发通道与长程相互作用如何导致非均匀激发图案，且不局限于边界。
• 展示一种创建适合量子门操作的几何非对称三原子排布的机制。
• 表明仅通过连续波非共振驱动即可生成实现Fredkin门所需的空间构型。

提出的方法

• 对超冷双能级原子云施加非共振激光驱动，以诱导里德堡激发动力学。
• 识别出共振激发通道是激发密度中强烈尖峰状空间关联的主要驱动力。
• 通过调节相互作用势和激光失谐量，控制激发之间的特征距离。
• 监测空间激发密度、Mandel Q参数和总激发数，作为关联形成的关键指标。
• 分析系统动力学，识别出在整个集合体积内延伸的自组织、非对称激发聚集体。
• 将该方法应用于设计三原子CSWAP门，同时利用里德堡阻塞效应与几何非对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 共振激发通道如何影响非共振驱动下里德堡原子的空间关联模式？
• RQ2 在不局限于系统边界的情况下，是什么决定了里德堡激发之间的特征距离？
• RQ3 连续波非共振驱动能否自发生成实现Fredkin门所需的非对称原子排布？
• RQ4 Mandel Q参数和激发数如何反映关联激发晶体的形成？
• RQ5 相互作用势在塑造激发聚集体的空间结构中起什么作用？

主要发现

• 共振激发通道导致强烈尖峰状的空间关联，形成横跨整个原子云的扩展、非对称激发结构。
• 通过激光失谐量和相互作用势的形式，可调节激发之间的特征距离。
• 激发聚集体相对于系统边界无局域化，表明具有类似漂浮晶体的行为。
• Mandel Q参数和总激发数表现出与关联激发图案形成相关的显著特征。
• 连续波非共振驱动可实现三原子系统自组织为适合实现CSWAP门的非对称几何构型。
• 所提出的门机制结合了里德堡阻塞与几何非对称性，可在无需预先对齐原子位置的条件下运行。