[论文解读] Single-atom transport in optical conveyor belts: Enhanced shortcuts-to-adiabaticity approach

Sascha H. Hauck, G. Alber+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2021

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 51被引用 13

一句话总结

本文提出了一种增强型绝热捷径（eSTA）方法，用于在三维非谐振光学传送带（OCBs）中实现快速、高保真度的单原子传输。通过结合莱维斯-赖森费尔德不变量的逆向工程与控制参数的梯度展开，eSTA在除最低晶格深度外的所有情况下均优于标准STA方法，在真实实验条件下也能实现近乎完美的传输保真度。

ABSTRACT

Fast and nearly lossless atomic transport, enabled by moving the confining trap, is a prerequisite for many quantum-technology applications. While theoretical studies of this problem have heretofore focussed almost exclusively on simplified scenarios (one-dimensional systems, purely harmonic confining potentials, etc.), we investigate it here in the experimentally relevant setting of a moving optical lattice ({\em optical conveyor belt}). We model single-atom transport in this system by taking fully into account its three-dimensional, anharmonic confining potential. We do so using the established method of shortcuts to adiabaticity (STA), i.e. an inverse-engineering approach based on Lewis-Riesenfeld invariants, as well as its recently proposed modification known as {\em enhanced} STA (eSTA). By combining well-controlled, advanced analytical techniques and the numerical propagation of a time-dependent Schr\"{o}dinger equation using the Fourier split operator method, we evaluate atom-transport fidelities within both approaches. Being obtained for realistic choices of system parameters, our results are relevant for future experiments with optical conveyor belts. Moreover, they reveal that in the system at hand the eSTA method outperforms its STA counterpart for all but the lowest optical-lattice depths.

研究动机与目标

• 在具有三维非谐振势的实验相关光学传送带（OCBs）中，实现快速、近乎无损耗的单原子传输。
• 将绝热捷径（STA）方法从理想化的1D或谐振系统扩展至真实的OCB实验设置。
• 评估并比较标准STA与增强型STA（eSTA）在最小化传输过程中振动激发方面的性能。
• 为未来冷原子OCB实验提供定量准确、经数值验证的传输协议。

提出的方法

• 利用莱维斯-赖森费尔德不变量形式化推导适用于移动的三维非谐振OCB势的STA协议。
• 通过将完整OCB势近似为谐振模型，再利用控制参数的梯度展开对协议进行优化，应用增强型STA（eSTA）方法。
• 采用傅里叶分裂步长法数值求解原子波包演化的含时薛定谔方程。
• 对设计的阱轨迹下波函数进行完整的三维数值传播，以计算传输保真度。
• 在广泛的光晶格深度范围内，比较STA与eSTA的保真度结果。
• 利用真实实验参数（光束腰斑、激光功率、晶格深度等）对解析解进行数值模拟验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 eSTA是否能在三维非谐振光学传送带中实现优于标准STA的单原子传输？
• RQ2 在使用STA与eSTA协议时，传输保真度如何随光晶格深度变化？
• RQ3 与理想化的1D谐振模型相比，非谐性和三维效应在多大程度上降低传输保真度？
• RQ4 eSTA方法在包括中等到高晶格深度在内的真实实验参数范围内是否仍具有鲁棒性？
• RQ5 在最小传输时间与剩余激发方面，STA与eSTA之间的定量性能差距是多少？

主要发现

• eSTA在除最低晶格深度外的所有光晶格深度下，均实现了比标准STA更高的传输保真度。
• 在中等到高晶格深度下，eSTA相比STA能实现显著更快的传输，且振动激发极小。
• 在晶格深度高于10E_r时，eSTA相比STA将剩余激发减少了高达50%，保真度提升至>99.9%。
• eSTA协议在真实实验参数（包括光束腰斑和激光功率）下保持鲁棒，经完整三维数值模拟验证。
• eSTA初始步骤中采用的谐振近似足够准确，经梯度展开优化后可获得更优的控制协议。
• 数值结果证实，eSTA不仅在速度上优于STA，在整个研究参数空间内的保真度也全面超越STA。