[论文解读] Zeeman--Insensitive Cooling of a Single Atom to its 2D Quantum Ground State

Pimonpan Sompet, Y. H. Fung+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本文提出了一种对Zeeman位移不敏感的拉曼侧带冷却技术，实现了在光镊中近确定性地制备单个原子处于二维量子基态，整个装载与冷却过程的基态保真度达到约0.73，当存在单个原子时的基态占据率可达约0.88。该方法对磁场波动具有鲁棒性，支持无需屏蔽的实验装置，为相干的少体量子实验铺平了道路。

ABSTRACT

We combine near--deterministic preparation of a single atom with Raman sideband cooling, to create a push button mechanism to prepare a single atom in the motional ground state of tightly focused optical tweezers. In the 2D radial plane, we achieve a large ground state fidelity for the entire procedure (loading and cooling) of $\sim$0.73, while the ground state occupancy is $\sim$0.88 for realizations with a single atom present. For 1D axial cooling, we attain a ground state fraction of $\sim$0.52. The combined 3D cooling provides a ground state population of $\sim$0.11. Our Raman sideband cooling variation is indifferent to magnetic field fluctuations, allowing wide--spread unshielded experimental implementations. Our work provides a pathway towards a range of coherent few body experiments.

研究动机与目标

• 开发一种在光镊中对单个原子冷却至量子基态的鲁棒、对磁场不敏感的方法。
• 实现高保真度的单个原子在运动基态的制备，以用于量子模拟与信息处理。
• 通过消除对磁场屏蔽的需求，实现广泛实验应用。
• 展示一种适用于可扩展量子技术的“一键式”单原子制备协议。

提出的方法

• 采用针对磁场波动引起的Zeeman位移不敏感的拉曼侧带冷却技术。
• 将接近确定性的单原子装载至聚焦紧密的光镊中，结合拉曼侧带冷却。
• 分别对两个径向维度（2D）和一个轴向维度（1D）进行冷却，以优化基态占据率。
• 采用一种侧带冷却的变体，即使在磁场漂移下仍能保持相干性和冷却效率。
• 使用单原子探测协议实现实时基态占据率验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单原子实验中，能否使拉曼侧带冷却对磁场波动不敏感？
• RQ2 使用这种对Zeeman位移不敏感的方法，在二维光镊中冷却单原子时，可实现的基态保真度是多少？
• RQ3 在基态布居率方面，轴向1D冷却与径向2D冷却的冷却性能有何差异？
• RQ4 该方法能否在无需磁场屏蔽的条件下实现，从而促进更广泛的实验应用？

主要发现

• 二维径向冷却在整个装载与冷却过程中实现了约0.73的基态保真度。
• 在存在单个原子的实现中，基态占据率达到了约0.88。
• 轴向1D冷却的基态分数约为0.52。
• 三维联合冷却的基态布居率约为0.11。
• 拉曼侧带冷却方法对磁场波动具有鲁棒性，支持无需屏蔽的实验实现。
• 该技术提供了一条可靠的一键式路径，用于将单原子制备在量子基态，支持未来少体量子实验。