[论文解读] Ultrafast Creation of Large Schrödinger Cat States of an Atom

K. G. Johnson, J. David Wong-Campos+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2016

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

该论文展示了利用飞秒激光脉冲在单个 171Yb+ 离子中实现超快制备大规模薛定谔猫态，通过诱导瞬时的、与态相关的力，突破了兰姆-迪克特定律的限制。该方法实现了约 Δα ≈ 24（580 个振子量子）的相空间分离，保真度达 36%，并可扩展至多组分叠加态（3-、4-、6- 和 8-组分态），从而实现对阱中离子宏观量子叠加态的快速、高保真制备。

ABSTRACT

Mesoscopic quantum superpositions, or Schrödinger cat states, are widely studied for fundamental investigations of quantum measurement and decoherence as well as applications in sensing and quantum information science. The generation and maintenance of such states relies upon a balance between efficient external coherent control of the system and sufficient isolation from the environment. Here we create a variety of cat states of a single trapped atom's motion in a harmonic oscillator using ultrafast laser pulses. These pulses produce high fidelity impulsive forces that separate the atom into widely-separated positions, without restrictions that typically limit the speed of the interaction or the size and complexity of the resulting motional superposition. This allows us to quickly generate and measure cat states larger than previously achieved in a harmonic oscillator, and create complex multi-component superposition states in atoms.

研究动机与目标

• 克服在囚禁离子中制备大运动叠加态时兰姆-迪克特定律带来的限制。
• 利用瞬时激光脉冲实现超快、高保真度生成介观尺度薛定谔猫态。
• 在单个囚禁离子的简谐运动中实现多组分叠加态（3-、4-、6- 和 8-组分）。
• 在保持相干性和可观测干涉条纹的前提下，实现大于 580 个振子量子的相空间分离。
• 通过在环境相互作用破坏叠加态之前加速态制备，最小化退相干。

提出的方法

• 使用超快飞秒激光脉冲在保罗阱中的 171Yb+ 离子上施加瞬时的、与态相关的力，实现快速运动态分裂。
• 该方法依赖于拉曼脉冲序列和时间延迟操作，以相干方式在相空间中位移离子的波包，从而生成相干态的叠加。
• 通过一系列激光脉冲实现态制备，施加受控位移，并通过相位控制生成多组分叠加态。
• 通过测量原子量子比特布居数中的干涉条纹，表征猫态的相干性和保真度。
• 理论建模采用位移算符形式和相空间表示法，预测亮度与对比度，并假设初始为热态（¯n = 0.15）对实验数据进行拟合。
• 脉冲时序与离子的简谐运动同步，以生成对称的多组分叠加态，并对拉曼光束实现精确相位控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 超快激光脉冲是否能够在超越兰姆-迪克特定律的条件下，在囚禁离子中实现大尺度薛定谔猫态的制备？
• RQ2 利用瞬时激光力在单离子简谐振子中，最大可实现的相空间分离（Δα）是多少？
• RQ3 能否在单个囚禁离子中相干地生成并测量多组分叠加态（3-、4-、6- 和 8-组分）？
• RQ4 随着分离度的增加，大猫态的保真度如何变化？主要的误差来源是什么？
• RQ5 激光光束的对准误差、光束发散以及阱的非简谐性在多大程度上影响了相干性和干涉条纹的可见度？

主要发现

• 实验实现了约 Δα ≈ 24 的相空间分离，对应于两分量之间最大空间分离为 259 nm，叠加了 580 个振子量子。
• 最大猫态的保真度测量值为 36%，是目前在简谐振子中单个囚禁离子报告的最高值。
• 通过在离子运动特定相位上定时激光脉冲，该方法成功实现了 3-、4-、6- 和 8-组分叠加态。
• 脉冲的超快特性——每脉冲周期（约 12 ns）实现 Δα = 0.4——使得态制备极为迅速，从而最小化了退相干。
• 亮度与对比度的理论建模与实验数据吻合良好，拟合假设初始热态为 ¯n = 0.15（87% 的基态布居数）。
• 主要误差来源包括光束对准误差（<0.5°，导致对正交模的布居数泄漏 <0.8%）以及由于基态冷却导致的数据采集时间增加（7 倍），这可能是观察到的冷却态与多普勒冷却态之间保真度差异的主要原因。