論文の概要: Trapped-ion laser cooling in structured light fields

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2411.08844v1
• Date: Wed, 13 Nov 2024 18:22:04 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-11-14 16:10:00.275454
• Title: Trapped-ion laser cooling in structured light fields
• Title（参考訳）: 構造光場におけるトラップイオンレーザー冷却
• Authors: Zhenzhong, Xing, Karan K. Mehta,
• Abstract要約: 本研究は,Nulledキャリアドライブによる選択的サイドバンド励起を実現する構造光プロファイルのレーザ冷却について考察する。 電磁誘導透過(EIT)を用いたLmb-Dicke系(LDR)を超えるドップラー冷却と基底状態(GS)冷却の性能を定量化する。 以上の結果から,レーザー冷却におけるボトルネックを軽減するための簡単な構造光プロファイルと,トラップイオンシステムの基本的な動作品質を向上させるためのスケーラブルフォトニックデバイスの可能性が示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.2545106408633595
• License:
• Abstract: Laser cooling is fundamental to quantum computation and metrology with trapped ions, and can occupy a majority of runtime in current systems. A key limitation to cooling arises from unwanted carrier excitation, which in typically used running wave (RW) fields invariably accompanies the sideband transitions effecting cooling. We consider laser cooling in structured light profiles enabling selective sideband excitation with nulled carrier drive; motivated by integrated photonic approaches' passive phase and amplitude stability, we propose simple configurations realizable with waveguide addressing using either standing wave (SW) or first-order Hermite-Gauss (HG) modes. We quantify performance of Doppler cooling from beyond the Lamb-Dicke regime (LDR), and ground-state (GS) cooling using electromagnetically induced transparency (EIT) leveraging these field profiles. Carrier-free EIT offers significant benefits simultaneously in cooling rate, motional frequency bandwidth, and final phonon number. Carrier-free Doppler cooling's advantage is significantly compromised beyond the LDR but continues to hold, indicating such configurations are applicable for highly excited ions. Our simulations focus on level structure relevant to $^{40}$Ca$^+$, though the carrier-free configurations can be generally applied to other species. We also quantify performance limitations due to polarization and modal impurities relevant to experimental implementation. Our results indicate potential for simple structured light profiles to alleviate bottlenecks in laser cooling, and for scalable photonic devices to improve basic operation quality in trapped-ion systems.
• Abstract（参考訳）: レーザー冷却は量子計算とイオンを閉じ込めたメトロジーの基礎であり、現在のシステムではほとんどのランタイムを占有することができる。 冷却に対する鍵となる制限は、典型的にはランニングウェーブ(RW)フィールドが冷却に影響を及ぼすサイドバンド遷移と相容れない不必要なキャリア励起から生じる。 本研究では,Nulledキャリアドライブを用いた選択的サイドバンド励起を実現する構造光プロファイルにおけるレーザ冷却について検討し,光合成アプローチの受動位相と振幅安定性を動機として,定常波(SW)または1次Hermite-Gauss(HG)モードを用いた導波路アドレッシングにより実現可能な簡単な構成を提案する。 電磁誘導透過(EIT)を用いて,ラムディッケ型(LDR)以外のドップラー冷却の性能を定量的に評価した。 キャリアフリーのEITは冷却速度、運動周波数帯域、ファイナルフォノン数に同時に大きな利点をもたらす。 キャリアフリードップラー冷却の利点はLDRを超えて著しく損なわれているが、そのような構成は高い励起イオンに適用可能であることを示している。 我々のシミュレーションは$^{40}$Ca$^+$に関連するレベル構造に焦点をあてるが、キャリアフリーな構成は一般に他の種にも適用できる。 また,実験実施に伴う偏極や不純物による性能限界の定量化も行う。 以上の結果から,レーザー冷却におけるボトルネックを軽減するための簡単な構造光プロファイルと,トラップイオンシステムの基本的な動作品質を向上させるためのスケーラブルフォトニックデバイスの可能性が示唆された。

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