[论文解读] Quantum logic with molecular ions

Fabian Wolf, Yong Wan+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用 1

一句话总结

该论文通过强库仑耦合将单个捕获分子离子与共捕获的原子离子耦合，利用与状态相关的光学偶极力对原子离子状态进行条件调控，实现了对单个分子离子的非破坏性、高效率量子态探测。该技术实现了对MgH的非破坏性光谱测量，测得跃迁频率为1067.74752(53) THz，潜在探测效率接近100%，且在10毫秒内完成。

ABSTRACT

Laser spectroscopy of cold and trapped molecular ions is a powerful tool for fundamental physics, including the determination of fundamental constants, the laboratory test for their possible variation, and the search for a possible electric dipole moment of the electron. Optical clocks based on molecular ions sensitive to some of these effects are expected to achieve uncertainties approaching the $10^{-18}$ level. While the complexity of molecular structure facilitates these applications, the absence of cycling transitions poses a challenge for direct laser cooling, quantum state control, and detection. Previously employed state detection techniques based on photo-dissociation or chemical reactions are destructive and therefore inefficient. Here we experimentally demonstrate non-destructive state detection of a single trapped molecular ion through its strong Coulomb coupling to a well-controlled co-trapped atomic ion. An algorithm based on a state-dependent optical dipole force(ODF) changes the internal state of the atom conditioned on the internal state of the molecule. We show that individual states in the molecule can be distinguished by their coupling strength to the ODF and observe black-body radiation-induced quantum jumps between rotational states. Using the detuning dependence of the state detection signal, we implement a variant of quantum logic spectroscopy and improve upon a previous measurement of the $\mathrm{X}^1\Sigma^+(J=1) ightarrow\mathrm{A}^1\Sigma^+(J=0)$ transition in MgH, finding a frequency of 1067.74752(53)THz. We estimate that non-destructive state detection with near 100% efficiency could take less than 10 ms. The technique we demonstrate is applicable to a wide range of molecular ions, enabling further applications in state-controlled quantum chemistry and spectroscopic investigations of molecules serving as probes for interstellar clouds.

研究动机与目标

• 实现对捕获分子离子中单个量子态的非破坏性、高保真度探测，这对量子逻辑光谱测量与精密测量至关重要。
• 克服分子离子缺乏循环跃迁的挑战，该问题阻碍了直接激光冷却与态读出。
• 开发一种可扩展的状态探测方法，避免使用如光解离或化学反应等破坏性技术。
• 提高分子跃迁频率测量的精度，尤其适用于基本常数与电子电偶极矩的测试。
• 为未来在量子化学与星际分子探测研究中利用捕获分子离子提供支持。

提出的方法

• 将单个分子离子与单个原子离子共捕获于保罗阱中，实现两者之间的强库仑耦合。
• 对原子离子施加与状态相关的光学偶极力（ODF），其状态由分子离子的内部态决定。
• 通过状态相关的荧光探测测量原子离子的最终状态，从而推断分子离子的内部态。
• ODF耦合强度随分子离子内部态变化，实现基于耦合强度的态分辨。
• 通过检测信号的变化观测黑体辐射诱导的转动态跃迁，实现量子跃迁的追踪。
• 扫描ODF的失谐，绘制系统响应，实现一种变体的量子逻辑光谱测量，用于测定MgH中X¹Σ⁺(J=1) → A¹Σ⁺(J=0)跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过库仑耦合的原子离子实现对单个捕获分子离子的非破坏性、高保真度态探测？
• RQ2 光学偶极力的耦合强度在多大程度上依赖于分子离子的内部态，从而实现态分辨？
• RQ3 能否利用该探测方案观测并测量黑体辐射诱导的转动态之间的量子跃迁？
• RQ4 该量子逻辑光谱测量变体的跃迁频率测量精度能达到何种水平？
• RQ5 在参数优化下，探测效率是否可接近100%，从而实现快速、可重复的测量？

主要发现

• 实验上实现了通过与共捕获原子离子的库仑耦合，对单个捕获分子离子实现非破坏性态探测。
• 由于与光学偶极力的态依赖耦合，检测信号随分子离子内部态变化，从而实现态分辨。
• 通过检测信号的变化，观测并追踪了黑体辐射诱导的转动态之间的量子跃迁。
• 测得MgH中X¹Σ⁺(J=1) → A¹Σ⁺(J=0)跃迁频率为1067.74752(53) THz，优于先前测量结果。
• 理论分析表明，在优化条件下，非破坏性态探测的效率可接近100%，且时间小于10毫秒。
• 该技术可推广至多种分子离子，为未来精密光谱测量与量子化学研究提供支持。