[论文解读] Raman sideband cooling of molecules in an optical tweezer array to the 3-D motional ground state

Yicheng K. Bao, Scarlett S. Yu+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein CondensatesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

该论文展示了在光镊阵列中对CaF分子实现拉曼侧带冷却，达到接近基态的冷却效果，平均振动占据数为 $\bar{n}_x=0.16(12)$，$\bar{n}_y=0.17(17)$，$\bar{n}_z=0.22(16)$，三维振动基态概率为 $54\pm 18\%$。该方法利用高磁场解耦技术与分辨侧带跃迁，实现高效冷却与光学泵浦，显著降低了量子应用中的振动退相干。

ABSTRACT

Ultracold polar molecules are promising for quantum information processing and searches for physics beyond the Standard Model. Laser cooling to ultracold temperatures is an established technique for trapped diatomic and triatomic molecules. Further cooling of the molecules to near the motional ground state is crucial for reducing various dephasings in quantum and precision applications. In this work, we demonstrate Raman sideband cooling of CaF molecules in optical tweezers to near their motional ground state, with average motional occupation quantum numbers of $\bar{n}_{x}=0.16(12)$, $\bar{n}_{y}=0.17(17)$ (radial directions), $\bar{n}_{z}=0.22(16)$ (axial direction) and a 3-D motional ground state probability of $54\pm18\%$. This paves the way to increase molecular coherence times in optical tweezers for robust quantum computation and simulation applications.

研究动机与目标

• 在光镊中实现超冷分子的近基态冷却，以减少量子信息与精密测量应用中因振动引起的退相干。
• 通过施加高磁场解耦自旋与转动能级，克服因分子内部能级结构复杂（如大内部态简并与塞曼位移）带来的拉曼侧带冷却挑战。
• 实现鲁棒的拉曼侧带冷却序列，利用分辨侧带与高效光学泵浦，实现三维冷却。
• 通过拉曼侧带温度测量表征最终的振动态，并利用拉比振荡相干性验证冷却性能。
• 通过最小化热运动效应，特别是轴向阱方向的热运动，实现分子量子比特的长相干时间。

提出的方法

• 拉曼侧带冷却采用两步循环：首先通过拉曼跃迁使振动量子数减少一个，随后通过光学泵浦将内部态复位，而不影响振动态。
• 施加约200 G的高磁场，以解耦电子自旋与核自旋对转动角动量的影响，从而隔离出单一 $m_S = -1/2, m_I = -1/2$ 子空间，简化冷却过程。
• 拉曼跃迁由两束反向传播的光束驱动，波矢差为 $\Delta k$，频率调谐至红侧带以实现冷却，各方向的拉比-迪克参数 $\eta^R \approx 0.6$。
• 光学泵浦使用 $\sigma^+$ 和 $\pi$-偏振光束，以防止原子在暗态中被囚禁，其中 $\pi$-偏振光束用于避免在 $m_N=0$ 态中累积人口。
• 通过分析 $\Delta n = +1$ 与 $\Delta n = -1$ 跃迁的拉比振荡峰高比值，利用拉曼侧带温度测量法测量平均振动占据数。
• 通过比值 $\alpha = P_-/P_+$ 表征振动态，由此计算平均占据数 $\bar{n} = \alpha / (1 - \alpha)$。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管分子具有复杂的内部能级结构，拉曼侧带冷却是否仍可成功应用于光镊中的分子？
• RQ2 在三维光镊中对CaF分子实施拉曼侧带冷却后，可实现的振动温度与基态概率是多少？
• RQ3 高磁场解耦在多原子分子中如何提升拉曼侧带冷却的效率与保真度？
• RQ4 拉曼侧带冷却在多大程度上改善了振动态之间拉曼拉比振荡的相干性？
• RQ5 冷却与探测序列中的主要误差源与损耗来自何处？如何加以缓解？

主要发现

• 实验实现了径向与轴向方向的平均振动占据数分别为 $\bar{n}_x = 0.16(12)$，$\bar{n}_y = 0.17(17)$，$\bar{n}_z = 0.22(16)$，表明冷却已强烈趋近于基态。
• 三维振动基态概率测量值为 $54 \pm 18\%$，证明了以高保真度冷却至量子基态的成功。
• 拉曼侧带温度测量确认了冷却性能，测得的 $\alpha = P_-/P_+$ 比值用于计算各方向的 $\bar{n} = \alpha / (1 - \alpha)$。
• 冷却后，振动态之间拉曼拉比振荡的相干性显著增强，表明热运动引起的退相干已被有效抑制。
• 光学泵浦保真度受限于55%，主要源于微波转移与成像效率不足，但未来通过偏振选择性光学泵浦可进一步提升。
• 高磁场有效抑制了磁场扫描过程中不必要的能级混合与反交叉现象，实现了冷却能级的稳定制备。