[论文解读] Roadmap on Atomtronics: State of the art and perspective

Luigi Amico, M. G. Boshier+57 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 14

一句话总结

本路线图综述了原子电子学领域的最新进展，重点聚焦于在工程化物质波电路中使用超冷原子实现量子技术。该研究提出利用里德伯原子及通过六波混合实现微波到光波的转换，以实现高效量子态转移，实验测得转换效率达5.1%，较以往工作提高17倍，为混合原子电子学系统和量子模拟器的发展铺平了道路。

ABSTRACT

Atomtronics deals with matter-wave circuits of ultra-cold atoms manipulated through magnetic or laser-generated guides with different shapes and intensities. In this way, new types of quantum networks can be constructed, in which coherent fluids are controlled with the know-how developed in the atomic and molecular physics community. In particular, quantum devices with enhanced precision, control and flexibility of their operating conditions can be accessed. Concomitantly, new quantum simulators and emulators harnessing on the coherent current flows can also be developed. Here, we survey the landscape of atomtronics-enabled quantum technology and draw a roadmap for the field in the near future. We review some of the latest progresses achieved in matter-wave circuits design and atom-chips. Atomtronic networks are deployed as promising platforms for probing many-body physics with a new angle and a new twist. The latter can be done both at the level of equilibrium and non-equilibrium situations. Numerous relevant problems in mesoscopic physics, like persistent currents and quantum transport in circuits of fermionic or bosonic atoms, are studied through a new lens. We summarize some of the atomtronics quantum devices and sensors. Finally, we discuss alkali-earth and Rydberg atoms as potential platforms for the realization of atomtronic circuits with special features.

研究动机与目标

• 综述当前原子电子学的发展现状，识别未来量子技术发展的关键方向。
• 探索在工程化磁性和激光导引结构中使用超冷原子作为量子器件和模拟器的平台。
• 研究碱土金属和里德伯原子在实现具备增强功能的新类型原子电子学电路方面的潜力。
• 通过相干物质波输运，研究平衡与非平衡区域中的多体物理现象。
• 利用里德伯原子和强耦合，开发高效的微波-光波转换技术以实现量子态转移。

提出的方法

• 利用激光和磁场构建可调谐势场，引导超冷原子在物质波电路中运动。
• 在包含光学场和微波场的六波混合过程中，利用里德伯态将微波光子转换为光子。
• 应用麦克斯韦-布洛赫方程对转换过程进行建模与仿真，以优化效率。
• 在里德伯系统中采用微波致稳电磁感应透明（EIT）技术，提升相干性与控制能力。
• 利用微镜阵列和全息技术等先进图案化技术，实现对激发源的空间精确控制。
• 探索受激拉曼绝热通道和非共振双光子跃迁，以提高量子态转移的保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用里德伯原子在原子电子学电路中实现高效的微波-光波转换？
• RQ2 偶极-偶极相互作用与范德华相互作用在里德伯激发通过原子阵列的输运过程中起什么作用？
• RQ3 如何利用原子电子学电路中的相干物质波输运来模拟介观量子系统？
• RQ4 在六波混合过程中，何种能级构型可最大限度减少吸收并提高转换效率？
• RQ5 结合物质波输运与激发输运的混合系统能否催生新型量子技术？

主要发现

• 实验测得微波-光波转换效率为5.1%，较以往结果提升17倍。
• 转换效率与输入微波强度呈线性关系，证实该过程具有强鲁棒性与可预测性。
• 理论建模表明，通过优化能级方案并减少吸收，转换效率可超过50%。
• 利用里德伯原子可实现微波场与光场之间的强耦合，从而实现高保真度的量子态转移。
• 全息和微透镜阵列等图案化技术可实现激发输运实验中对源与阱的精确配置。
• 未来将里德伯激发输运与传统原子电子学电路集成，有望实现用于先进量子模拟与传感的混合系统。