[论文解读] High-fidelity detection of large-scale atom arrays in an optical lattice

Renhao Tao, Maximilian Ammenwerth+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

该论文通过使用排斥性西西弗斯冷却，在光学晶格中实现了高达399个锶原子的高保真度（99.9995(3)%)和高存活率（99.80(5))%的成像，实现了可扩展、可重复的晶格-光镊-晶格转移，并直接将超过10,000个原子加载到单平面光学晶格中，用于构建可重构、局部可寻址的量子模拟与计算平台中的储备池。

ABSTRACT

Recent advances in quantum simulation based on neutral atoms have largely benefited from high-resolution, single-atom sensitive imaging techniques. A variety of approaches have been developed to achieve such local detection of atoms in optical lattices or optical tweezers. For alkaline-earth and alkaline-earth-like atoms, the presence of narrow optical transitions opens up the possibility of performing novel types of Sisyphus cooling, where the cooling mechanism originates from the capability to spatially resolve the differential optical level shifts in the trap potential. Up to now, it has been an open question whether high-fidelity imaging could be achieved in a "repulsive Sisyphus" configuration, where the trap depth of the ground state exceeds that of the excited state involved in cooling. Here, we demonstrate high-fidelity ($99.971(1)\%$) and high-survival ($99.80(5)\%$) imaging of strontium atoms using repulsive Sisyphus cooling. We use an optical lattice as a pinning potential for atoms in a large-scale tweezer array with up to $399$ tweezers and show repeated, high-fidelity lattice-tweezer-lattice transfers. We furthermore demonstrate loading the lattice with approximately 10000 atoms directly from the MOT and scalable imaging over $>10000$ lattice sites with a combined survival probability and classification fidelity better than $99.2\%$. Our lattice thus serves as a locally addressable and sortable reservoir for continuous refilling of optical tweezer arrays in the future.

研究动机与目标

• 通过此前未在碱土金属原子中探索过的排斥性西西弗斯冷却方法，实现光学晶格中大规模原子阵列的高保真度、低损耗探测。
• 利用相同的晶格势阱实现原子在光学光镊与光学晶格之间的可扩展、可重复转移，用于固定与读出。
• 直接将超过10,000个原子高密度加载到光学晶格的单个平面中，构建可用于光学光镊阵列持续补给的局部可寻址储备池。
• 通过光谱反馈与相位优化，将光学光镊阵列的强度非均匀性降低至2.2%以下，确保量子控制所需的均匀捕获。

提出的方法

• 利用689 nm波长的1S₀–3P₁跃迁对锶原子实施排斥性西西弗斯冷却，其中基态阱深大于激发态，即使在排斥性冷却机制下仍能实现高保真度成像。
• 使用1040 nm的反向反射光束形成二维光学晶格，晶格常数分别为579(2) nm（x方向）和1187(18) nm（y方向），为光镊阵列中的原子提供固定势阱。
• 利用空间光调制器（SLM）在520 nm波长下构建399个位点的光学光镊阵列，通过荧光成像与高斯拟合的坐标系校准实现与晶格的精确对齐。
• 采用两步法的Gerchberg–Saxton算法进行相位重构与振幅均衡，结合对微分光移的光谱反馈，将强度非均匀性降低至2.2%以下。
• 使用诊断相机校准SLM的衍射效率，并在相位重构算法中通过1/√η对目标光镊振幅进行加权，以校正非均匀性。
• 通过匹配晶格与光镊的坐标角（θ_x^lat = -1.090(0)°，θ_x^tw = -1.0452(2)°）和间距比（c_x^tw = 6a_x，c_y^tw = 3a_y）验证了晶格与光镊的共模性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在排斥性西西弗斯冷却配置中，是否可以实现高保真度成像，其中基态比激发态更深地被捕获？
• RQ2 是否可以使用相同的光学晶格势阱实现原子在晶格与光镊之间的重复、高保真度转移，用于固定与检测？
• RQ3 是否可以将超过10,000个原子直接加载到光学晶格的单个平面中，且均匀性足够高，可作为光学光镊阵列的储备池？
• RQ4 通过光谱反馈与迭代相位优化，光学光镊的强度非均匀性可降低到何种程度？

主要发现

• 通过排斥性西西弗斯冷却，在光学晶格中对锶原子实现了单次成像保真度99.9995(3)%，证明了该方法在高保真度探测中的可行性。
• 在成像过程中实现了99.80(5)%的高存活率，表明检测期间原子损失或加热极低。
• 成功实现了重复的晶格-光镊-晶格转移，保真度高，使晶格可作为原子阵列的中转平台重复使用。
• 直接将超过10,000个原子加载到光学晶格的单个平面中，建立了可扩展、局部可寻址的储备池，可用于未来光镊阵列的补给。
• 经过三次迭代的光谱反馈与振幅均衡，光学光镊的强度非均匀性降低至2.2%以下，实现了量子控制所需的均匀捕获。
• 实现了光学晶格与光镊阵列之间的精确对齐，坐标角匹配精度达0.05°以内，间距比与设计一致（c_x^tw = 6a_x，c_y^tw = 3a_y）。