[论文解读] Trapped arrays of alkaline earth Rydberg atoms in optical tweezers

Jack T. Wilson, Samuel Saskin+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 23

一句话总结

该论文展示了利用与束缚基态原子相同的红失谐光镊，通过镱离子核心的极化率，实现了对里德堡态的稳定捕获。该方法实现了里德堡态的相干时间 T₂ = 59 μs，超过未捕获原子的28 μs寿命，从而为量子模拟与量子计算提供了更长的相互作用时间。

ABSTRACT

Neutral atom qubits with Rydberg-mediated interactions are a leading platform for developing large-scale coherent quantum systems. In the majority of experiments to date, the Rydberg states are not trapped by the same potential that confines ground state atoms, resulting in atom loss and constraints on the achievable interaction time. In this work, we demonstrate that the Rydberg states of an alkaline earth atom, ytterbium, can be stably trapped by the same red-detuned optical tweezer that also confines the ground state, by leveraging the polarizability of the Yb$^+$ ion core. Using the previously unobserved ripletS series, we demonstrate trapped Rydberg atom lifetimes exceeding $100\,μ$s, and observe no evidence of auto- or photo-ionization from the trap light for these states. We measure a coherence time of $T_2 = 59$ $μ$s between two Rydberg levels, exceeding the 28 $μ$s lifetime of untrapped Rydberg atoms under the same conditions. These results are promising for extending the interaction time of Rydberg atom arrays for quantum simulation and computing, and are vital to capitalize on the extended Rydberg lifetimes in circular states or cryogenic environments.

研究动机与目标

• 解决里德堡原子阵列中因里德堡态未与基态共捕获而导致的相互作用时间短的问题。
• 克服红失谐光镊的根本限制——通常因里德堡原子具有负极化率而产生排斥力。
• 证明镱离子核心的极化率可为里德堡态提供净捕获势阱，实现稳定共捕获。
• 将里德堡叠加态的相干时间延长至超过未捕获原子的水平，这对实现高保真度量子操作至关重要。
• 为未来在低温环境或腔增强系统中探索长寿命里德堡态（如圆形态）提供可能。

提出的方法

• 利用Yb+离子核心的极化率，在红失谐光镊中生成里德堡态的捕获势阱，以抵消里德堡电子产生的排斥性辐射压势。
• 利用此前未被观测到的Yb中3S₁里德堡系列，实现对具有有利捕获特性的高主量子数n态的访问。
• 通过不可约张量算子分解方法建模捕获势阱，以同时考虑6s核心与nl价电子的贡献。
• 通过拉比-拉姆齐序列与自旋回波序列测量相干时间，评估由不同光移和有限温度引起的退相干效应。
• 在不同光功率和光束腰尺寸下，表征S、P和D里德堡态的陷阱寿命与电离率。
• 采用双光子微波拉比光谱法探测n=74与n=75 3S₁态之间的相干叠加态。

实验结果

研究问题

• RQ1 碱土金属原子的里德堡态是否能稳定地捕获在与基态原子相同的红失谐光镊中？
• RQ2 Yb+离子核心的极化率在多大程度上可克服里德堡电子的排斥性辐射压势？
• RQ3 被捕获里德堡能级叠加态的相干时间是多少？与相同条件下未捕获原子相比如何？
• RQ4 能否实现特定里德堡态对的‘魔法’捕获条件，以最小化不同光移？
• RQ5 在此构型下，是否可行捕获长寿命的圆形里德堡态，特别是在低温或腔增强环境中？

主要发现

• 通过Yb+核心极化率，Yb中3S₁系列的里德堡态可在红失谐光镊中实现稳定捕获，陷阱寿命超过100 μs。
• 测量得到n=74与n=75 3S₁态叠加态的相干时间T₂ = 59 μs，超过相同条件下未捕获里德堡原子的28 μs寿命。
• 即使在每镊子10 mW的光强下，S态也未观测到自电离或光致电离的迹象，表明陷阱诱导的损失可忽略不计。
• 测得两个里德堡态之间的差分光移为90 kHz，是导致退相干并限制T₂*的主要因素，与13 μK的有限温度一致。
• 理论建模证实，净捕获势源于排斥性辐射压势与吸引性核心极化率之间的平衡，交叉点出现在n ≈ 60附近。
• 首次实验测量了高n值Yb里德堡态的寿命，并首次观测到3S₁系列，为未来实现态无关捕获与魔法波长条件的研究铺平道路。