[论文解读] Observation of Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between an atom and a polar molecule

Alexander Guttridge, Daniel K. Ruttley+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本论文展示了在光镊中，单个 87Rb 原子与单个 87Rb133Cs 分子之间通过电荷-偶极子相互作用诱导的里德堡阻塞效应。通过将两者间距精确控制在 310(40) nm，研究人员观测到由于长程相互作用导致的里德堡激发抑制，实验结果与基于从头算相互作用势的模拟高度一致，从而建立了一个用于混合量子信息处理的平台。

ABSTRACT

We demonstrate Rydberg blockade due to the charge-dipole interaction between a single Rb atom and a single RbCs molecule confined in optical tweezers. The molecule is formed by magnetoassociation of a Rb+Cs atom pair and subsequently transferred to the rovibrational ground state with an efficiency of 91(1)\%. Species-specific tweezers are used to control the separation between the atom and molecule. The charge-dipole interaction causes blockade of the transition to the Rb(52s) Rydberg state, when the atom-molecule separation is set to $310(40)$~nm. The observed excitation dynamics are in good agreement with simulations using calculated interaction potentials. Our results open up the prospect of a hybrid platform where quantum information is transferred between individually trapped molecules using Rydberg atoms.

研究动机与目标

• 展示通过单个超冷 Rb 原子与单个 RbCs 分子之间的电荷-偶极子相互作用实现的里德堡阻塞。
• 利用物种特异性光镊在亚微米精度下精确控制原子-分子间距。
• 验证在微米尺度间距下强 1/R² 电荷-偶极子相互作用的理论预测。
• 建立一个结合里德堡原子与极性分子的混合量子平台，用于量子模拟与信息处理。
• 通过实验阻塞动力学与从头算模拟的定量比较，验证相互作用模型。

提出的方法

• 利用拉曼侧带冷却与超精细态制备，在物种特异性光镊中制备单个 87Rb 和 133Cs 原子。
• 通过在异种间超精细 Feshbach 共振上进行磁关联形成单个 RbCs 分子，并通过相干光学转移将分子制备到振转基态，效率达 91(1)%。
• 通过精确的光镊对准控制原子-分子间距至 310(40) nm，单次实验间的波动约为 50 nm。
• 利用荧光成像与光镊占据态后选择，测量 Rb 原子到 52s 里德堡态的激发动力学。
• 使用包含电荷-偶极子相互作用与电子-分子散射的绝热哈密顿量对系统进行模拟，实验中的非理想因素（η=0.13，ϵ=0.02，ϵ′=0.06）已纳入模型。
• 通过修正的布居模型（公式 11）将模拟布居映射到实验中的存活概率，以考虑准备与探测误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微米尺度间距下，里德堡原子与极性分子之间的电荷-偶极子相互作用是否能诱导可测量的里德堡阻塞？
• RQ2 在具有亚 100 nm 控制能力的混合光镊系统中，可实现的最小原子-分子间距是多少？
• RQ3 实验中的非理想因素（准备误差、损耗、衰变）如何影响观测到的阻塞动力学？
• RQ4 从头算相互作用势在多大程度上能准确预测观测到的能量位移与阻塞行为？
• RQ5 该系统能否作为可扩展平台，利用里德堡原子作为中介实现分子间的量子信息传递？

主要发现

• 在原子-分子间距为 310(40) nm 时观测到里德堡阻塞，证实了强电荷-偶极子相互作用的存在。
• 在 310 nm 处测得的电荷-偶极子相互作用导致的能量位移达到 -25 MHz×h，与理论预测一致。
• 实验观测到的阻塞动力学与包含从头算相互作用势及实验非理想因素的模拟结果高度一致。
• 通过磁关联与相干光学转移，分子在振转基态的制备效率达到 91(1)%。
• 系统中制备误差为 13%（η=0.13），基态损耗为 2%（ϵ=0.02），检测前衰变为 6%（ϵ′=0.06），所有误差均在分析中予以校正。
• 观测到的里德堡激发抑制证实了利用里德堡原子在混合量子系统中相干控制与读出分子量子比特的可行性。