[论文解读] Microscopy of a scalable superatom

Johannes Zeiher, Peter Schauß+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 40

一句话总结

本论文通过在二维莫特绝缘体中实现亚散粒噪声精度的局域操控，展示了超冷原子体系中Rydberg超原子的可扩展制备与相干调控。通过原位显微成像，作者证实了在1至185个原子的范围内，集体拉比耦合呈现$√{N}$标度关系；验证了$W$-态中的纠缠；并表明当遏制半径附近遏制效应失效时，退相干源于双激发过程。

ABSTRACT

Strong interactions can amplify quantum effects such that they become important on macroscopic scales. Controlling these coherently on a single particle level is essential for the tailored preparation of strongly correlated quantum systems and opens up new prospects for quantum technologies. Rydberg atoms offer such strong interactions which lead to extreme nonlinearities in laser coupled atomic ensembles. As a result, multiple excitation of a Micrometer sized cloud can be blocked while the light-matter coupling becomes collectively enhanced. The resulting two-level system, often called "superatom", is a valuable resource for quantum information, providing a collective Qubit. Here we report on the preparation of two orders of magnitude scalable superatoms utilizing the large interaction strength provided by Rydberg atoms combined with precise control of an ensemble of ultracold atoms in an optical lattice. The latter is achieved with sub shot noise precision by local manipulation of a two-dimensional Mott insulator. We microscopically confirm the superatom picture by in-situ detection of the Rydberg excitations and observe the characteristic square root scaling of the optical coupling with the number of atoms. Furthermore, we verify the presence of entanglement in the prepared states and demonstrate the coherent manipulation of the superatom. Finally, we investigate the breakdown of the superatom picture when two Rydberg excitations are present in the system, which leads to dephasing and a loss of coherence.

研究动机与目标

• 通过光晶格中的超冷原子，实现从1到185个原子数范围内可扩展、相干的Rydberg超原子控制。
• 通过单原子分辨的原位探测系统，实验验证超原子图像，确认光学耦合的$√{N}$增强效应。
• 研究因多重Rydberg激发及其退相干效应导致的超原子图像失效问题，特别是在较大系统中的表现。
• 利用单点分辨技术，实现对集体量子比特的相干操控，并检测$W$-态中的多体纠缠。
• 量化范德华相互作用与空间关联在系统超过遏制半径时对退相干的影响。

提出的方法

• 以亚散粒噪声精度制备二维莫特绝缘体，实现对单个超原子的精确控制。
• 利用局域激光操控，在1至185个原子范围内创建孤立的方形Rydberg超原子，且尺寸可调。
• 通过亚微米级分辨率的原位单原子探测，直接观测Rydberg激发分布，并验证$W$-态结构。
• 测量不同原子数$N$下的集体拉比振荡，确认拉比耦合速率$Ω_N$的$√{N}$标度关系。
• 通过后选择单激发与双激发事件，分离由双体相互作用引起的退相干效应。
• 通过成对相关函数$C_{i,j}$分析空间关联，识别对角角落处的反相关性，表明双激发局域化于方形晶格的对角两端。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rydberg超原子的集体拉比耦合是否在原子数范围1至185内均呈现$√{N}$标度？
• RQ2 能否通过原位单原子显微成像检测并验证$W$-态中的多体纠缠？
• RQ3 双Rydberg激发的存在如何影响超原子拉比振荡的相干性与退相干？
• RQ4 当系统尺寸接近遏制半径时，超原子图像在何种规模下开始失效？
• RQ5 两个Rydberg激发之间的范德华相互作用在多大程度上导致能级失谐并降低相干性？

主要发现

• 在1至185个原子的范围内，集体拉比耦合$Ω_N$的$√{N}$标度关系通过高保真度探测的原位测量得到证实。
• 通过观测整个体系中对称且离域的Rydberg激发，验证了$W$-态中的纠缠，空间关联特性与多体纠缠一致。
• 对于$N=185(8)$个原子，最大原子间距$D=9.8(7) \mu\mathrm{m}$接近遏制半径$R_b=11.7 \mu\mathrm{m}$，导致超原子图像出现可观察到的失效。
• 在单激发子空间中，拉比振荡的退相干显著降低，其衰减时间比全样本中长两倍，表明双激发过程主导了退相干。
• 空间关联测量显示对角角落处存在反相关性，证实双激发态局域于方形晶格的对角两端，与范德华相互作用能$Δ_{\mathrm{vdW}}$一致。
• 观测到的双激发态占比上升与基于简化希尔伯特空间模型的理论预测相符，时间尺度为$π/√{2Ω^2 + Δ_{\mathrm{vdW}}^2}$，表明退相干由相互作用引起。