Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Enhancing single-atom loading in tightly confined dipole traps with ancillary dipole beam

Published 5 Mar 2024 in quant-ph and physics.atom-ph | (2403.03068v1)

Abstract: Single atoms trapped in tightly focused optical dipole traps provide an excellent experimental platform for quantum computing, precision measurement, and fundamental physics research. In this work, we propose and demonstrate a novel approach to enhancing the loading of single atoms by introducing a weak ancillary dipole beam. The loading rate of single atoms in a dipole trap can be significantly improved by only a few tens of microwatts of counter-propagating beam. It was also demonstrated that multiple atoms could be loaded with the assistance of a counter-propagating beam. By reducing the power requirements for trapping single atoms and enabling the trapping of multiple atoms, our method facilitates the extension of single-atom arrays and the investigation of collective light-atom interactions.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (46)
  1. A. M. Kaufman, B. J. Lester, C. M. Reynolds, M. L. Wall, M. Foss-Feig, K. R. A. Hazzard, A. M. Rey,  and C. A. Regal, “Two-particle quantum interference in tunnel-coupled optical tweezers,” Science 345, 306 (2014).
  2. M. O. Brown, S. R. Muleady, W. J. Dworschack, R. J. Lewis-Swan, A. M. Rey, O. Romero-Isart,  and C. A. Regal, “Time-of-flight quantum tomography of an atom in an optical tweezer,” Nature Physics 19, 569 (2023).
  3. D. O’Shea, C. Junge, J. Volz,  and A. Rauschenbeutel, “Fiber-Optical Switch Controlled by a Single Atom,” Physical Review Letters 111, 193601 (2013).
  4. Y.-S. Chin, M. Steiner,  and C. Kurtsiefer, “Nonlinear photon-atom coupling with 4Pi microscopy,” Nature Communications 8, 1200 (2017).
  5. E. Deist, Y.-H. Lu, J. Ho, M. K. Pasha, J. Zeiher, Z. Yan,  and D. M. Stamper-Kurn, “Mid-Circuit Cavity Measurement in a Neutral Atom Array,” Physical Review Letters 129, 203602 (2022).
  6. Y. Liu, Z. Wang, P. Yang, Q. Wang, Q. Fan, S. Guan, G. Li, P. Zhang,  and T. Zhang, “Realization of Strong Coupling between Deterministic Single-Atom Arrays and a High-Finesse Miniature Optical Cavity,” Physical Review Letters 130, 173601 (2023).
  7. E. Will, L. Masters, A. Rauschenbeutel, M. Scheucher,  and J. Volz, “Coupling a Single Trapped Atom to a Whispering-Gallery-Mode Microresonator,” Physical Review Letters 126, 233602 (2021).
  8. X. Zhou, H. Tamura, T.-H. Chang,  and C.-L. Hung, “Coupling Single Atoms to a Nanophotonic Whispering-Gallery-Mode Resonator via Optical Guiding,” Physical Review Letters 130, 103601 (2023).
  9. M. Saffman, “Quantum computing with neutral atoms,” National Science Review 6, 24 (2019).
  10. A. Browaeys and T. Lahaye, “Many-body physics with individually controlled Rydberg atoms,” Nature Physics 16, 132 (2020).
  11. M. Morgado and S. Whitlock, “Quantum simulation and computing with Rydberg-interacting qubits,” AVS Quantum Science 3, 023501 (2021).
  12. X. Wu, X. Liang, Y. Tian, F. Yang, C. Chen, Y.-C. Liu, M. K. Tey,  and L. You, “A concise review of Rydberg atom based quantum computation and quantum simulation*,” Chinese Physics B 30, 020305 (2021).
  13. R. Grimm, M. Weidemüller,  and Y. B. Ovchinnikov, “Optical Dipole Traps for Neutral Atoms,” in Advances in Atomic, Molecular, and Optical Physics, December (2000) pp. 95–170.
  14. S. J. M. Kuppens, K. L. Corwin, K. W. Miller, T. E. Chupp,  and C. E. Wieman, “Loading an optical dipole trap,” Physical Review A 62, 013406 (2000).
  15. S. Li, G. Li, P. Yang, Z. Wang, P. Zhang,  and T. Zhang, “Versatile objectives with NA = 0.55 and NA = 0.78 for cold-atom experiments,” Optics Express 28, 36122 (2020).
  16. N. Schlosser, G. Reymond, I. Protsenko,  and P. Grangier, “Sub-poissonian loading of single atoms in a microscopic dipole trap,” Nature 411, 1024 (2001).
  17. N. Schlosser, G. Reymond,  and P. Grangier, “Collisional Blockade in Microscopic Optical Dipole Traps,” Physical Review Letters 89, 023005 (2002).
  18. Y. H. Fung and M. F. Andersen, “Efficient collisional blockade loading of a single atom into a tight microtrap,” New Journal of Physics 17, 073011 (2015).
  19. D. Barredo, S. de Léséleuc, V. Lienhard, T. Lahaye,  and A. Browaeys, “An atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary two-dimensional atomic arrays,” Science 354, 1021 (2016).
  20. M. Endres, H. Bernien, A. Keesling, H. Levine, E. R. Anschuetz, A. Krajenbrink, C. Senko, V. Vuletic, M. Greiner,  and M. D. Lukin, “Atom-by-atom assembly of defect-free one-dimensional cold atom arrays,” Science 354, 1024 (2016).
  21. H. Bernien, S. Schwartz, A. Keesling, H. Levine, A. Omran, H. Pichler, S. Choi, A. S. Zibrov, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletic,  and M. D. Lukin, “Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator,” Nature 551, 579 (2017).
  22. A. M. Kaufman and K. K. Ni, “Quantum science with optical tweezer arrays of ultracold atoms and molecules,” Nature Physics 17, 1324 (2021).
  23. C. Sheng, J. Hou, X. He, K. Wang, R. Guo, J. Zhuang, B. Mamat, P. Xu, M. Liu, J. Wang,  and M. Zhan, “Defect-Free Arbitrary-Geometry Assembly of Mixed-Species Atom Arrays,” Physical Review Letters 128, 083202 (2022).
  24. D. Barredo, V. Lienhard, S. de Léséleuc, T. Lahaye,  and A. Browaeys, “Synthetic three-dimensional atomic structures assembled atom by atom,” Nature 561, 79 (2018).
  25. H. Labuhn, D. Barredo, S. Ravets, S. De Léséleuc, T. Macrì, T. Lahaye,  and A. Browaeys, “Tunable two-dimensional arrays of single Rydberg atoms for realizing quantum Ising models,” Nature 534, 667 (2016).
  26. A. Omran, H. Levine, A. Keesling, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, H. Bernien, A. S. Zibrov, H. Pichler, S. Choi, J. Cui, M. Rossignolo, P. Rembold, S. Montangero, T. Calarco, M. Endres, M. Greiner, V. Vuletić,  and M. D. Lukin, “Generation and manipulation of Schrödinger cat states in Rydberg atom arrays,” Science 365, 570 (2019).
  27. S. Shi, B. Xu, K. Zhang, G. S. Ye, D. S. Xiang, Y. Liu, J. Wang, D. Su,  and L. Li, “High-fidelity photonic quantum logic gate based on near-optimal Rydberg single-photon source,” Nature Communications 13, 4454 (2022).
  28. T. M. Graham, Y. Song, J. Scott, C. Poole, L. Phuttitarn, K. Jooya, P. Eichler, X. Jiang, A. Marra, B. Grinkemeyer, M. Kwon, M. Ebert, J. Cherek, M. T. Lichtman, M. Gillette, J. Gilbert, D. Bowman, T. Ballance, C. Campbell, E. D. Dahl, O. Crawford, N. S. Blunt, B. Rogers, T. Noel,  and M. Saffman, “Multi-qubit entanglement and algorithms on a neutral-atom quantum computer,” Nature 604, 457 (2022).
  29. I. Bloch, “Quantum coherence and entanglement with ultracold atoms in optical lattices,” Nature 453, 1016 (2008).
  30. C. Gross and I. Bloch, “Quantum simulations with ultracold atoms in optical lattices,” Science 357, 995 (2017).
  31. B. Yang, H. Sun, R. Ott, H.-Y. Wang, T. V. Zache, J. C. Halimeh, Z.-S. Yuan, P. Hauke,  and J.-W. Pan, “Observation of gauge invariance in a 71-site Bose–Hubbard quantum simulator,” Nature 587, 392 (2020a).
  32. B. Yang, H. Sun, C.-J. Huang, H.-Y. Wang, Y. Deng, H.-N. Dai, Z.-S. Yuan,  and J.-W. Pan, “Cooling and entangling ultracold atoms in optical lattices,” Science 369, 550 (2020b).
  33. M. J. Piotrowicz, M. Lichtman, K. Maller, G. Li, S. Zhang, L. Isenhower,  and M. Saffman, “Two-dimensional lattice of blue-detuned atom traps using a projected Gaussian beam array,” Physical Review A 88, 013420 (2013).
  34. S. L. Campbell, R. B. Hutson, G. E. Marti, A. Goban, N. Darkwah Oppong, R. L. McNally, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, W. Zhang, B. J. Bloom,  and J. Ye, “A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock,” Science 358, 90 (2017).
  35. T. Takano, M. Takamoto, I. Ushijima, N. Ohmae, T. Akatsuka, A. Yamaguchi, Y. Kuroishi, H. Munekane, B. Miyahara,  and H. Katori, “Geopotential measurements with synchronously linked optical lattice clocks,” Nature Photonics 10, 662 (2016).
  36. Z.-B. Wang, C. Gu, X.-X. Hu, Y.-T. Zhang, J.-Z. Zhang, G. Li, X. He, X.-B. Zou, C. Dong, G.-c. Guo,  and C.-L. Zou, “Controllable atomic collision in a tight optical dipole trap,” Optics Letters 48, 1064 (2023).
  37. A. Vochezer, T. Kampschulte, K. Hammerer,  and P. Treutlein, “Light-Mediated Collective Atomic Motion in an Optical Lattice Coupled to a Membrane,” Physical Review Letters 120, 073602 (2018).
  38. G.-J. Chen, D. Zhao, Z.-B. Wang, Z. Li, J.-Z. Zhang, L. Chen, Y.-L. Zhang, X.-B. Xu, A.-P. Liu, C.-H. Dong, G.-C. Guo, K. Huang,  and C.-L. Zou, “Trapping and characterizing single atom using metalens,” In preparation  (2023).
  39. T.-W. Hsu, W. Zhu, T. Thiele, M. O. Brown, S. B. Papp, A. Agrawal,  and C. A. Regal, “Single-Atom Trapping in a Metasurface-Lens Optical Tweezer,” PRX Quantum 3, 030316 (2022).
  40. M. E. Kim, T.-H. Chang, B. M. Fields, C.-A. Chen,  and C.-L. Hung, “Trapping single atoms on a nanophotonic circuit with configurable tweezer lattices,” Nature Communications 10, 1647 (2019).
  41. K. N. Schymik, B. Ximenez, E. Bloch, D. Dreon, A. Signoles, F. Nogrette, D. Barredo, A. Browaeys,  and T. Lahaye, “In situ equalization of single-atom loading in large-scale optical tweezer arrays,” Physical Review A 106, 022611 (2022).
  42. A. J. Hilliard, Y. H. Fung, P. Sompet, A. V. Carpentier,  and M. F. Andersen, “In-trap fluorescence detection of atoms in a microscopic dipole trap,” Physical Review A 91, 053414 (2015).
  43. X.-X. Hu, C.-L. Zhao, Z.-B. Wang, Y.-L. Zhang, X.-B. Zou, C.-H. Dong, H. X. Tang, G.-C. Guo,  and C.-L. Zou, “Cavity-enhanced optical controlling based on three-wave mixing in cavity-atom ensemble system,” Optics Express 27, 6660 (2019).
  44. T. Bothwell, C. J. Kennedy, A. Aeppli, D. Kedar, J. M. Robinson, E. Oelker, A. Staron,  and J. Ye, “Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample,” Nature 602, 420 (2022).
  45. A. W. Young, W. J. Eckner, W. R. Milner, D. Kedar, M. A. Norcia, E. Oelker, N. Schine, J. Ye,  and A. M. Kaufman, “Half-minute-scale atomic coherence and high relative stability in a tweezer clock,” Nature 588, 408 (2020).
  46. M. A. Norcia, A. W. Young, W. J. Eckner, E. Oelker, J. Ye,  and A. M. Kaufman, “Seconds-scale coherence on an optical clock transition in a tweezer array,” Science 366, 93 (2019).

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

Sign Up for Free