[论文解读] Microwave-engineering of programmable XXZ Hamiltonians in arrays of Rydberg atoms

P. Scholl, H. J. Williams+14 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 13

一句话总结

本文展示了通过微波驱动在单个捕获的里德堡原子的一维和二维阵列中工程化可编程的XXZ自旋哈密顿量。通过施加周期性微波场以共振耦合具有相反宇称的里德堡态，作者实现了XXZ模型中可调的各向异性的实现，从而实现了如畴壁熔化和磁化冻结等相干自旋动力学，实验与包含脉冲误差模型的模拟结果在定量上高度一致。

ABSTRACT

We use the resonant dipole-dipole interaction between Rydberg atoms and a periodic external microwave field to engineer XXZ spin Hamiltonians with tunable anisotropies. The atoms are placed in 1D and 2D arrays of optical tweezers, allowing us to study iconic situations in spin physics, such as the implementation of the Heisenberg model in square arrays, and the study of spin transport in 1D. We first benchmark the Hamiltonian engineering for two atoms, and then demonstrate the freezing of the magnetization on an initially magnetized 2D array. Finally, we explore the dynamics of 1D domain wall systems with both periodic and open boundary conditions. We systematically compare our data with numerical simulations and assess the residual limitations of the technique as well as routes for improvements. The geometrical versatility of the platform, combined with the flexibility of the simulated Hamiltonians, opens exciting prospects in the field of quantum simulation, quantum information processing and quantum sensing.

研究动机与目标

• 通过在XXZ哈密顿量中实现各向异性的动态调制，将量子模拟能力拓展至自然实现的自旋模型之外。
• 通过使用有序且可单独寻址的里德堡原子阵列，克服以往基于气体系统的局限性，实现相干且高保真度的动力学。
• 在包含受控缺陷的少体和多体体系中，对微波工程方法进行基准测试与验证。
• 在具有开放边界和周期性边界条件的一维和二维几何结构中，探索相干自旋输运和磁化动力学。
• 系统性地比较实验数据与包含真实脉冲误差和有限脉冲持续时间效应的数值模拟结果。

提出的方法

• 利用处于相反宇称态（|nS⟩ 和 |nP⟩）的里德堡原子之间的共振电偶极-偶极相互作用，实现有效自旋-1/2相互作用。
• 在|nS⟩与|nP⟩态之间的跃迁频率上施加周期性微波场，以驱动拉比振荡并诱导有效自旋相互作用。
• 应用平均哈密顿量理论，从受驱动系统中推导出具有可调各向异性的有效XXZ哈密顿量。
• 采用高斯形微波脉冲，以最小化因快速开关和场不均匀性引起的脉冲误差。
• 在模拟中引入现象学脉冲误差模型，其中每个脉冲旋转均受随机角度偏差Δθ = 0.06 ± 0.01弧度的扰动。
• 使用有限拉比频率的数值模拟，评估脉冲持续时间对目标XXX哈密顿量保真度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光镊中对里德堡原子进行微波驱动，能否实现XXZ自旋哈密顿量中各向异性的可调？
• RQ2 脉冲缺陷和有限脉冲持续时间如何影响多体系统中工程化XXZ哈密顿量的保真度？
• RQ3 微波工程化的哈密顿量能否准确再现一维链中如畴壁熔化等相干自旋动力学？
• RQ4 在微波驱动下，二维里德堡原子阵列中的磁化动力学行为如何？其初始磁化是否表现出冻结现象？
• RQ5 包含脉冲误差和有限脉冲持续时间的模拟，在一维和二维几何结构中与实验观测的匹配程度如何？

主要发现

• 通过共振电偶极-偶极相互作用，成功在里德堡原子的一维和二维阵列中实现了具有可调各向异性的微波驱动XXZ哈密顿量。
• 在双原子体系中，当引入脉冲误差（Δθ = 0.06 ± 0.01 rad）后，实验数据与模拟结果表现出良好一致性，证实了脉冲缺陷的关键作用。
• 在二维阵列中，初始磁化随时间表现出冻结行为，与XXZ模型在微波驱动下的理论预期一致。
• 在一维畴壁体系中，实现了周期性和开放边界条件，实验与包含脉冲误差的模拟结果在动力学上表现出良好一致性。
• 模拟结果表明，若将拉比频率提高四倍（即缩短脉冲持续时间），可实现与目标XXX哈密顿量近乎完美的匹配，表明有限脉冲持续时间是主要限制因素。
• 通过对比模拟，实验与理想模拟之间的偏差主要归因于微波脉冲误差，而非有限脉冲持续时间，该结论得到验证。