[论文解读] Scalable phase interference from trapped ion chains

P. Obšil, Adam Lešundák+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Quantum optics and atomic interactions被引用 1

一句话总结

该论文通过沿离子链对称轴收集光子，实现了被捕获离子链散射光中可扩展的相位干涉，确保了光子的空间不可区分性。在最多53个离子的情况下，干涉可见度得以保持，仅受限于均匀激发，为未来在大规模离子系统中探索多体纠缠和正交压缩提供了可能。

ABSTRACT

We present measurements of phase interference of light scattered from trapped linear ion crystals. The scattered light is collected along the ion string symmetry axis which guarantees the spatial indistinguishability of photons scattered by different ions and allows for convenient scaling of the number of contributing particles. We observe the preservation of the interference visibility with up to 53\,ions limited mostly by the possibility of excitation of all ions with similar saturation parameter in the given excitation configuration. The interference phase is tuned by changing the mutual distance between ions and the observed pattern is qualitatively corresponding to the simple theoretical model. The presented results open the possibility for experimental investigation of the whole range of fundamental physical phenomena, including engineered directional photon emission, direct detection of quadrature squeezing of atomic resonance fluorescence, or optical generation of genuine multi-partite entanglement between a large number of trapped ions.

研究动机与目标

• 通过确保光子的空间不可区分性，实现在线性离子晶体中散射光的可扩展相位干涉。
• 研究随着离子数量增加，干涉可见度的保持情况，最多达53个离子。
• 通过调节离子间距来调控干涉相位，从而实现对量子光学现象的控制。
• 实现对方向性光子发射和真正多体纠缠等基本量子现象的实验探索。
• 评估在大离子链中均匀激发的极限，以维持干涉可见度。

提出的方法

• 沿线性离子链的对称轴收集光子，以确保来自单个离子的散射光在空间上不可区分。
• 系统采用由激光控制饱和参数的捕获离子线性链，以维持均匀激发。
• 通过测量干涉可见度随离子数和离子间距离的变化，探测相位相干性。
• 使用理论建模对观测到的干涉图案与基于集体散射的预测进行定性比较。
• 系统性地改变离子间距以调节干涉相位，并验证理论框架。
• 实验配置设计为可随离子数量扩展，同时保持相位相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着离子数量的增加，被捕获离子线性链散射光中的相位干涉是否能够保持？
• RQ2 离子间的相互间距在多大程度上影响观测到的干涉图案和相位？
• RQ3 在大离子链中，干涉可见度在多大程度上受限于激发的均匀性？
• RQ4 该系统能否用于探测集体原子系统中工程化方向性光子发射？
• RQ5 该系统是否可行用于光学生成真正的多体纠缠？

主要发现

• 在最多53个离子的情况下，干涉可见度得以保持，表明大离子链中具有稳健的相位相干性。
• 观测到的干涉图案与简单理论模型定性相符，验证了实验方法的有效性。
• 通过调节离子间的距离，可实现对干涉相位的调控，证明了对量子相位的控制能力。
• 扩展的主要限制在于能否以相似的饱和参数均匀激发所有离子。
• 通过沿离子链对称轴收集光子，实现了散射光子的空间不可区分性，从而实现了可扩展的干涉。
• 结果为在大规模捕获离子系统中实验研究正交压缩和多体纠缠开辟了新途径。