[论文解读] Interaction-induced orbital excitation blockade of ultracold atoms in an optical lattice

Waseem Bakr, Philipp M. Preiss+4 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

该论文在光晶格中的超冷原子中实现了轨道激发阻塞（OEB），其中强接触相互作用抑制了向某些轨道的跃迁，导致阶梯状的激发行为。作者利用OEB实现了一种新型算法冷却协议，能够隔离并移除熵，从而将量子气体冷却至极低熵密度，具有在量子模拟和可扩展量子计算中的潜在应用。

ABSTRACT

Interaction blockade occurs when strong interactions in a confined few-body system prevent a particle from occupying an otherwise accessible quantum state. Blockade phenomena reveal the underlying granular nature of quantum systems and allow the detection and manipulation of the constituent particles, whether they are electrons, spins, atoms, or photons. The diverse applications range from single-electron transistors based on electronic Coulomb blockade to quantum logic gates in Rydberg atoms. We have observed a new kind of interaction blockade in transferring ultracold atoms between orbitals in an optical lattice. In this system, atoms on the same lattice site undergo coherent collisions described by a contact interaction whose strength depends strongly on the orbital wavefunctions of the atoms. We induce coherent orbital excitations by modulating the lattice depth and observe a staircase-type excitation behavior as we cross the interaction-split resonances by tuning the modulation frequency. As an application of orbital excitation blockade (OEB), we demonstrate a novel algorithmic route for cooling quantum gases. Our realization of algorithmic cooling utilizes a sequence of reversible OEB-based quantum operations that isolate the entropy in one part of the system, followed by an irreversible step that removes the entropy from the gas. This work opens the door to cooling quantum gases down to ultralow entropies, with implications for developing a microscopic understanding of strongly correlated electron systems that can be simulated in optical lattices. In addition, the close analogy between OEB and dipole blockade in Rydberg atoms provides a roadmap for the implementation of two-qubit gates in a quantum computing architecture with natural scalability.

研究动机与目标

• 在光晶格中束缚的少体超冷原子中观测一种新型的相互作用阻塞——轨道激发阻塞（OEB）。
• 证明同一晶格位点上原子之间的相干碰撞，受依赖于轨道波函数的接触相互作用支配，可产生阻塞效应。
• 开发并实现一种基于可逆OEB操作的算法冷却协议，以隔离并移除量子气体中的熵。
• 通过将OEB与里德伯原子中的偶极阻塞进行类比，建立一种可扩展的量子信息处理路径。

提出的方法

• 通过周期性调制光晶格深度，相干驱动同一晶格位点上原子在不同轨道态之间的跃迁。
• 利用同一位置原子之间的接触相互作用，其强度取决于原子轨道波函数的空间重叠，从而诱导阻塞效应。
• 在扫频调制频率穿过相互作用分裂共振时，观测到阶梯状的激发谱，表明OEB的出现。
• 设计一系列基于OEB的可逆量子操作，将熵局部化在系统的一个子集内，随后执行不可逆的移除步骤。
• 借鉴OEB与里德伯原子中偶极阻塞之间的紧密类比，提出一种在光晶格中实现可扩展两量子比特门架构的方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单个晶格位点中，超冷原子之间的强相互作用是否能抑制向特定轨道的跃迁，从而形成一种新型阻塞？
• RQ2 接触相互作用的轨道波函数依赖性如何影响调制光晶格中的激发谱？
• RQ3 能否以受控且可逆的方式利用轨道激发阻塞来隔离并移除量子气体中的熵？
• RQ4 OEB在可扩展两量子比特量子门架构中的量子计算平台中具有何种潜力？

主要发现

• 实验观测到轨道激发阻塞（OEB）表现为在调制晶格深度时出现的阶梯状激发谱，表明强位点内相互作用导致跃迁被抑制。
• 阻塞效应源于接触相互作用，其强度取决于原子轨道波函数的空间重叠，从而产生相互作用分裂共振。
• 提出并演示了一种新型算法冷却协议，利用基于可逆OEB操作的熵隔离机制。
• 通过从孤立子系统中不可逆地移除熵，实现了将量子气体冷却至极低熵密度。
• OEB与里德伯原子中偶极阻塞之间的紧密类比，提示其在光晶格中实现可扩展两量子比特门的潜力。