強相関リュードベリ原子を用いた非平衡量子開放系の量子シミュレーション

使用强相关里德伯原子的非平衡量子开放系统的量子模拟

• 批准号: 21H01021
• 负责人: 素川 靖司
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: The University of Tokyo (2023)Institute for Molecular Science (2021-2022)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01021/
• 关键词: 冷却原子系; 量子シミュレータ; リュードベリ原子; 多体ダイナミクス; 量子制御; レーザー冷却; 強相関系; 非平衡ダイナミクス; 量子シミュレーション; 冷却原子; 量子多体系; 広帯域レーザー

本研究課題では、冷却原子集団をリュードベリ励起および量子制御し、大規模な開放量子多体系の量子シミュレーションを行うことを目的としている。本年度は孤立量子系の多体スピンダイナミクスの研究を進めた。格子間隔532nmの3次元光格子中に生成したルビジウム(Rb)原子のモット絶縁体を、広帯域レーザーによってリュードベリ励起し、アト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉によって、ピコ秒スケールの多体ダイナミクスを観測することに成功している。イジング模型を用いた理論解析を行い、新たに論文にまとめた（arXiv:2201.09590）。観測した多体スピンダイナミクスは平均場近似と半古典近似では全く説明できず、多体相関を適切に取り入れた移動平均クラスター展開、厳密解によって説明できることを明らかにした。次に、上記の多体スピンダイナミクスの研究を、等方的ファンデルワールス相互作用が働くリュードベリ状態へ拡張するために、広帯域パルスレーザー系の改良を行い、バンド幅をより広範囲に調整できるようにするとともに、アト秒精度の時間領域ラムゼー干渉の最大遅延時間を数ナノ秒まで拡張した。極低温Rbモット絶縁体を単一のリュードベリ状態へ選択的に励起し、明瞭なラムゼイ干渉稿を観測するとともに、平均場近似では全く説明ができない多体ダイナミクスを観測することに成功した。これらの成果は、広帯域レーザーを用いることで、隣接サイト間のリュードベリ・ブロッケードさえも回避でき、GHzオーダーの長距離相互作用が働く大規模な量子多体系が実現できたことを意味している。

该研究项目的目的是通过对冷原子布居进行里德伯激发和量子控制来进行大规模开放量子多体系统的量子模拟。今年，我们对孤立量子系统的多体自旋动力学进行了研究。在晶格间距为 532 nm 的三维光学晶格中形成的铷 (Rb) 原子莫特绝缘体由宽带激光进行里德伯激发，并使用时域拉姆齐干涉观察皮秒尺度的多体动力学其精度达到阿秒级，非常成功。我们使用伊辛模型进行了理论分析，并在一篇新论文中进行了总结（arXiv:2201.09590）。我们已经证明，观察到的多体自旋动力学根本不能用平均场近似或半经典近似来解释，但可以通过移动平均簇扩展和适当结合多体相关性的精确解来解释。接下来，为了将上述多体自旋动力学的研究扩展到各向同性范德华相互作用起作用的里德堡态，我们改进了宽带脉冲激光系统，使得在更宽的范围内调节带宽成为可能。同时，我们将阿秒级精度的时域拉姆齐干扰的最大延迟时间延长到了几个纳秒。我们成功地选择性地将低温铷莫特绝缘体激发到单一里德堡态，并观察到清晰的拉姆齐干涉模型以及根本无法用平均场近似解释的多体动力学。这些结果意味着，通过使用宽带激光器，甚至可以避免相邻站点之间的里德堡封锁，并实现了GHz量级长程相互作用的大规模量子多体系统。

项目成果

Multiple-camera defocus imaging of ultracold atomic gases

超冷原子气体的多相机离焦成像

• DOI: 10.1364/oe.422981
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.8
• 作者: Perry A. R.;Sugawa S.;Salces;Yue Y.;Spielman I. B.
• 通讯作者: Spielman I. B.

2つの単一リュードベリ原子間におけるナノ秒スケールの超高速エネルギー交換

两个单个里德伯原子之间的纳秒级超快能量交换

• 发表时间: 2022
• 作者: 周諭来; 富田隆文; Mahesh Tirumalasetty P;uranga; 素川靖司; Sylvain de Leseleuc; 大森賢治
• 通讯作者: 大森賢治

Rydberg-atom quantum simulation and Chern-number characterization of a topological Mott insulator

拓扑莫特绝缘体的里德伯原子量子模拟和陈数表征

• DOI: 10.1103/physreva.86.053618
• 发表时间: 2012-07-26
• 期刊: Physical Review A
• 影响因子: 2.9
• 作者: A. Dauphin;M. Müller;M. Martin
• 通讯作者: M. Martin

Wilson loop and Wilczek-Zee phase from a non-Abelian gauge field

来自非阿贝尔规范场的 Wilson 环和 Wilczek-Zee 相位

• DOI: 10.1038/s41534-021-00483-2
• 发表时间: 2021-09-30
• 期刊: npj Quantum Information
• 影响因子: 7.6
• 作者: S. Sugawa;F. Salces;Y. Yue;A. Putra;I. Spielman
• 通讯作者: I. Spielman

Ultrafast many-body dynamics in an ultracold Rydberg-excited atomic Mott insulator

超冷里德伯激发原子莫特绝缘体中的超快多体动力学

• 发表时间: 2022
• 作者: V. Bharti; S. Sugawa; M. Mizoguchi; M. Kunimi; Y. Zhang; S. de Leseleuc; T. Tomita; T. Franz; M. Weidemueller; K. Ohmori
• 通讯作者: K. Ohmori